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Ultrafast intrinsic optical-to-electrical conversion dynamics in graphene photodetector

石墨烯 超短脉冲 光电子学 光电流 材料科学 光电探测器 太赫兹辐射 飞秒 光电导性 纳米技术 光学 物理 激光器
作者
Katsumasa Yoshioka,Taro Wakamura,Masayuki Hashisaka,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,N. Kumada
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2203.05752
摘要

Optical-to-electrical (O-E) conversion in graphene is a central phenomenon for realizing anticipated ultrafast and low-power-consumption information technologies. However, revealing its mechanism and intrinsic time scale require uncharted terahertz (THz) electronics and device architectures. Here, we succeeded in resolving O-E conversion processes in high-quality graphene by on-chip electrical readout of ultrafast photothermoelectric current. By suppressing the RC time constant using a resistive zinc oxide top gate, we constructed a gate-tunable graphene photodetector with a bandwidth of up to 220 GHz. By measuring nonlocal photocurrent dynamics, we found that the photocurrent extraction from the electrode is instantaneous without a measurable carrier transit time across several-micrometer-long graphene, following the Shockley-Ramo theorem. The time for photocurrent generation is exceptionally tunable from immediate to > 4 ps, and its origin is identified as Fermi-level-dependent intraband carrier-carrier scattering. Our results bridge the gap between ultrafast optical science and device engineering, accelerating ultrafast graphene optoelectronic applications.
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