May 16, 2012

HYBRID GRAPHENE-QUANTUM DOT PHOTOTRANSISTORS WITH ULTRAHIGH GAIN



"Hybrid graphene–quantum dot phototransistors with ultrahigh gain". G. Konstantatos, M. Badioli, L. Gaudreau, J. Osmond, M. Bernechea, F. P. García de Arquer. NATURE NANOTECHNOLOGY. In press. DOI: 10.1038/nnano.2012.60

Graphene is an attractive material for optoelectronics and photodetection applications because it offers a broad spectral bandwidth and fast response times. However, weak light absorption and the absence of a gain mechanism that can generate multiple charge carriers from one incident photon have limited the responsivity of graphene-based photodetectors to ~10−2 A W−1. Here, we demonstrate a gain of ~108 electrons per photon and a responsivity of ~107 A W−1 in a hybrid photodetector that consists of monolayer or bilayer graphene covered with a thin film of colloidal quantum dots. Strong and tunable light absorption in the quantum-dot layer creates electric charges that are transferred to the graphene, where they recirculate many times due to the high charge mobility of graphene and long trapped-charge lifetimes in the quantum-dot layer. The device, with a specific detectivity of 7 × 1013 Jones, benefits from gate-tunable sensitivity and speed, spectral selectivity from the short-wavelength infrared to the visible, and compatibility with current circuit technologies.

El grafeno es un material atractivo para aplicaciones optoelectrónicas y de fotodetección, debido a que ofrece un amplio ancho de banda espectral y tiempos rápidos de respuesta. Sin embargo, la absorción de luz débil y la ausencia de un mecanismo de ganancia que pueda generar múltiples portadores de carga a partir de un fotón incidente, ha limitado la respuesta de los fotodetectores basados en grafeno a ~10−2 A W−1. Aquí se demuestra una ganancia de ~108 electrones por fotón y una respuesta de ~107 A W−1 en un fotodetector híbrido que consiste de una monocapa o una bicapa de grafeno cubierta con una película delgada de puntos cuánticos coloidales. La fuerte y sintonizable absorción de luz en la capa de puntos cuánticos genera portadores de carga eléctrica que se transfieren al grafeno, donde ellos recirculan muchas veces debido a la alta movilidad de las cargas en el grafeno y a los largos tiempos de vida media de las cargas atrapadas en la capa de puntos cuánticos. El dispositivo, con una capacidad de detección específica de 7 × 1013 Jones, se ve beneficiado por una sensibilidad y una rapidez de la compuerta sintonizables, por una selectividad espectral desde las longitudes de onda cortas en el infrarrojo hasta el visible, y por una compatibilidad con las actuales tecnologías de los circuitos.

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