Plasmonic antenna coupling to hyperbolic phonon-polaritons for sensitive and fast mid-infrared photodetection with graphene
Castilla, Sebastián (Institut de Ciències Fotòniques)
Vangelidis, Ioannis (University of Ioannina. Department of Materials Science and Engineering)
Pusapati, Varun Varma (Institut de Ciències Fotòniques)
Goldstein, Jordan A. (Massachusetts Institute of Technology. Department of Electrical Engineering and Computer Sciences)
Autore, Marta (CIC nanoGUNE (Sant Sebastià, País Basc))
Slipchenko, Tetiana (Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón)
Rajendran, Khannan (Institut de Ciències Fotòniques)
Kim, Seyoon (Institut de Ciències Fotòniques)
Watanabe, Kenji (National Institute for Material Science. Advanced Materials Laboratory (Tsukuba, Japó))
Taniguchi, Takashi (National Institute for Material Science. Advanced Materials Laboratory (Tsukuba, Japó))
Martín-Moreno, Luis (Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón)
Englund, Dirk (Massachusetts Institute of Technology. Department of Electrical Engineering and Computer Sciences)
Tielrooij, Klaas-Jan (Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia)
Hillenbrand, Rainer (IKERBASQUE)
Lidorikis, Elefterios (University Research Center of Ioannina. Institute of Materials Science and Computing)
Koppens, Frank (Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats)

Data:	2020
Resum:	Integrating and manipulating the nano-optoelectronic properties of Van der Waals heterostructures can enable unprecedented platforms for photodetection and sensing. The main challenge of infrared photodetectors is to funnel the light into a small nanoscale active area and efficiently convert it into an electrical signal. Here, we overcome all of those challenges in one device, by efficient coupling of a plasmonic antenna to hyperbolic phonon-polaritons in hexagonal-BN to highly concentrate mid-infrared light into a graphene pn-junction. We balance the interplay of the absorption, electrical and thermal conductivity of graphene via the device geometry. This approach yields remarkable device performance featuring room temperature high sensitivity (NEP of 82 pW/Hz) and fast rise time of 17 nanoseconds (setup-limited), among others, hence achieving a combination currently not present in the state-of-the-art graphene and commercial mid-infrared detectors. We also develop a multiphysics model that shows very good quantitative agreement with our experimental results and reveals the different contributions to our photoresponse, thus paving the way for further improvement of these types of photodetectors even beyond mid-infrared range.
Ajuts:	European Commission 804349 European Commission 785219 European Commission 881603 Ministerio de Economía y Competitividad SEV-2017-0706 Agencia Estatal de Investigación MAT2017-88358-C3-1-R Ministerio de Economía y Competitividad SEV-2015-0522 Ministerio de Ciencia e Innovación RTI2018-094830-B-100 Ministerio de Ciencia e Innovación MDM-2016-0618 Agència de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca 2017/SGR-1656
Drets:	Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, fins i tot amb finalitats comercials, sempre i quan es reconegui l'autoria de l'obra original.
Llengua:	Anglès
Document:	Article ; recerca ; Versió publicada
Matèria:	Nanophotonics and plasmonics ; Optical properties and devices ; Polaritons ; Two-dimensional materials
Publicat a:	Nature communications, Vol. 11 (2020) , art. 4872, ISSN 2041-1723

DOI: 10.1038/s41467-020-18544-z
PMID: 32978380

7 p, 2.3 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Documents dels grups de recerca de la UAB > Centres i grups de recerca (producció científica) > Ciències > Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2)
Articles > Articles de recerca
Articles > Articles publicats