Time resolved carrier dynamics in graphene

• Antragsteller: Professor Dr. Heinrich Kurz (†); Professor Dr. Daniel Neumaier
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 171596922

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projektes Gratis wurde mittels zeitaufgelöster fs-Spektroskopie die Ladungsträgerdynamik in Graphen studiert und aufbauend auf diesen Erkenntnissen ultraschnelle Graphen-basierte Photodetektoren entwickelt. Die Ladungsträger Dynamik in Graphen wurde mittels zeitaufgelöster fs-Spektroskopie studiert und lieferte eine Reihe neuer Erkenntnisse über die entscheidenden Relaxationsprozesse von optisch angeregten Ladungsträgern. Die primäre thermalisierung der angeregten Ladungsträger findet durch Elektron-Elektron-Streuung auf einer Zeitskale von deutlich kürzer 15fs statt. Anschließend kühlt die thermische Elektronenverteilung mittels Phononstreuung auf eine Zeitskala von 100fs ab, wobei sich zuerst ein thermische Gleichgewicht mit den optische Phononen im Graphen bildet und anschließend durch weiteren Phononenzerfall die Ausgangstemperatur erreicht wird. Darüber hinaus treten auch nicht-teilchenzahl erhaltende Prozesse auf. Durch vielfarben Pump-Probe Messungen konnte bestätig werden dass es in Graphen bei geringen Anregeleistungen und kurzen Zeiten zu einer Ladungsträgervervielfachung, wobei hier in Übereinstimmung mit theoretischen Simulationen ein Faktor von bis zu 2 gemessen wurde. Somit konnte gezeigt werden, dass Graphen ein vielversprechendes Material für Photodetektoren und Solarzellen ist. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden Graphen-basierte Photodetektoren für infrarot Licht hergestellt, wobei ein Schwerpunkt auf wellenleiterintegrierten Photodetektoren für die optische Datenkommunikation lag. Innerhalb des Projektes konnten Photodetektoren erfolgreich auf Silizium-basierten Wellenleitern realisiert werden. Diese Zeiten eine extrinsische Geschwindigkeit von 80 GHz. In Zusammenarbeit mit Alcatel-Lucent wurden diese Photodetektoren für die Datenübertragung getestet und es konnte eine maximale Datenrate von 50 GBit/s erfolgreich verwendet werden. Somit zählen die Graphen-Photodetektoren zu den schnellsten Photodetektoren überhaupt. Ferner wurden Graphen- Photodetektoren für elektro-optisches Mischen verwendet, wobei die Steuerung des Photosignals durch eine Gate-Elektrode verwendet wurde. Im Rahmen dieses Projektes konnten ein erster Proof-of-Concept bei GHz-Frequenzen gezeigt werden und liefert somit wertvolle Informationen um Graphen in der Mikrowellenphotonik einzusetzen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 50 GBit/s photodetectors based on wafer-scale graphene for integrated silicon photonic communication systems. ACS Photonics 1, 781 (2014)
  D. Schall, D. Neumaier, M. Mohsin, B. Chmielak, J. Bolten, C. Porschatis, A. Prinzen, C. Matheisen, W. Kuebart, B. Junginger, W. Templ, A. L. Giesecke and H. Kurz
  
• Experimental Verification of Carrier Multiplication in Graphene. Nano Letters 14, 5371 (2014)
  T. Plötzing, T. Winzer, E. Malic, D. Neumaier, A. Knorr, and H. Kurz
  
• Graphene based low insertion loss electro-absorption modulator on SOI waveguide. Optics Express 22, 15292 (2014)
  M. Mohsin, D. Schall, M. Otto, A. Noculak, D. Neumaier, and H. Kurz
  
• Experimental verification of electro-refractive phase modulation in graphene. Scientific Reports 5, 10967 (2015)
  M. Mohsin, D. Neumaier, D. Schall, M. Otto, C. Matheisen, A. L. Giesecke, A A Sagade, H. Kurz
  
• Infrared Transparent Graphene Heater for Silicon Photonic Integrated Circuits. Optics Vol 24 Issue 8, pp. 7871-7878 (2016)
  D. Schall, M. Mohsin, A. A. Sagade, M. Otto, B. Chmielak, S. Suckow, A. L. Giesecke, D. Neumaier and Heinrich Kurz