Journal of Nanoscience & Nanotechnology Research Acceso abierto

Abstracto

Emisión de luz de terahercios y acción láser en nanoestructuras y plasmónicas 2D basadas en grafeno impulsadas por corriente

Taiichi Otsuji

Abstracto

El grafeno ha atraído una atención considerable debido a su espectro de energía sin masa y sin brecha de fermiones de Dirac, así como a las fuertes interacciones luz-materia a través de polaritones plasmón. Este artículo destaca los avances recientes en la emisión de luz de terahercios (THz) y la emisión láser en nanoestructuras 2D basadas en grafeno impulsadas por corriente. La estructura del transistor de canal de grafeno de doble puerta (DG-GFET) promueve la inversión de la población de portadores en las uniones de pines laterales en condiciones complementarias de polarización de doble puerta y polarización de drenaje hacia adelante, lo que promueve la emisión de luz incoherente espontánea de THz. Una estructura de cavidad láser implementada en el área de ganancia activa puede trascender la emisión de luz incoherente al láser monomodo. Diseñamos y fabricamos el DG-GFET de retroalimentación distribuida (DFB). El canal GFET consta de un grafeno epitaxial de doble capa (no Bernal), que proporciona una movilidad de efecto de campo intrínseco que supera los 100.000 cm2/Vs. El DG en forma de cepillo de dientes forma la cavidad DFB que tiene el modo fundamental a 4,96 THz. La emisión en THz de la muestra se midió utilizando un espectrómetro de transformada de Fourier con un bolómetro de Si enfriado a 4,2 K. Se observó una emisión espontánea amplificada de banda ancha bastante intensa (~10 μW) de 1 a 7,6 THz y una emisión láser monomodo débil (~0,1 μW) a 5,2 THz a 100 K en diferentes muestras. La estructura actual ofrece una superposición de ganancia débil debido al escaso confinamiento del campo de fotones en THz, lo que da como resultado una amplia variación desde la emisión láser monomodo hasta la emisión incoherente de banda ancha según la calidad del grafeno (tiempo de relajación del momento del portador). Actualmente se están realizando más mejoras.

Conclusión y significado: El bombeo de grafeno mediante inyección de portadores puede permitir una conductividad dinámica negativa en el rango de THz, lo que puede conducir a un nuevo tipo de láseres de THz. Las inestabilidades de plasmón impulsadas por la corriente en estructuras GFET de doble compuerta de rejilla, así como la tunelización resonante asistida por plasmón en estructuras de nanocondensadores de doble capa de grafeno con compuerta, pueden promover la generación y amplificación de ondas de THz, lo que conduce a una intensa emisión láser de THz a temperatura ambiente.

El autor agradece a V. Ryzhii, SA Boubanga-Tombet, T. Watanabe, A. Satou, D. Yadav, G. Tamamushi, M. Ryzhii, AA Dubinov, VV Popov, V. Mithin y MS Shur por sus contribuciones. Este trabajo cuenta con el apoyo de JSPS KAKENHI #16H06361 y #18H05331, Japón.