Bipolaarinen kaksiulotteinen lumivyöryvalodetektori

Kaksisuuntainen kaksiulotteinenlumivyöryvaloilmaisin

Bipolaarinen kaksiulotteinen lumivyöryvalodetektori (APD-valoilmaisin) saavuttaa erittäin alhaisen kohinan ja korkean herkkyyden havaitsemisessa

Muutaman fotonin tai jopa yksittäisten fotonien herkällä havaitsemisella on merkittäviä sovellusmahdollisuuksia esimerkiksi heikon valon kuvantamisessa, kaukokartoituksessa ja telemetriassa sekä kvanttiviestinnässä. Näistä lumivyöryfotodetektorista (APD) on tullut tärkeä suunta optoelektronisten laitteiden tutkimuksessa pienen kokonsa, korkean hyötysuhteensa ja helpon integrointinsa ansiosta. Signaali-kohinasuhde (SNR) on tärkeä APD-fotodetektorin indikaattori, joka vaatii suurta vahvistusta ja pientä pimeävirtaa. Kaksiulotteisten (2D) materiaalien van der Waals -heteroliitosten tutkimus osoittaa laajoja mahdollisuuksia korkean suorituskyvyn omaavien APD-fotodetektorien kehittämisessä. Kiinalaiset tutkijat valitsivat bipolaarisen kaksiulotteisen puolijohdemateriaalin WSe₂:n valoherkäksi materiaaliksi ja valmistivat huolellisesti APD-fotodetektorin, jonka Pt/WSe₂/Ni-rakenne on paras vastaava työfunktio perinteisen APD-fotodetektorin luontaisen vahvistuskohinaongelman ratkaisemiseksi.

Tutkimusryhmä ehdotti Pt/WSe₂/Ni-rakenteeseen perustuvaa lumivyöryfotodetektoria, jolla saavutettiin erittäin herkkä erittäin heikkojen valosignaalien havaitseminen fW-tasolla huoneenlämmössä. He valitsivat kaksiulotteisen puolijohdemateriaalin WSe₂:n, jolla on erinomaiset sähköiset ominaisuudet, ja yhdistivät Pt- ja Ni-elektrodimateriaalit kehittääkseen onnistuneesti uudentyyppisen lumivyöryfotodetektorin. Optimoimalla tarkasti Pt:n, WSe₂:n ja Ni:n välisen työfunktion yhteensovituksen suunniteltiin kuljetusmekanismi, joka voi tehokkaasti estää tummia varauksenkuljettajia ja samalla valikoivasti sallia valolla tuotettujen varauksenkuljettajien läpikulun. Tämä mekanismi vähentää merkittävästi varauksenkuljettajien törmäysionisaation aiheuttamaa liiallista kohinaa, jolloin fotodetektori saavuttaa erittäin herkän optisen signaalin havaitsemisen erittäin alhaisella kohinatasolla.

Sitten, selventääkseen heikon sähkökentän aiheuttaman lumivyöryvaikutuksen taustalla olevaa mekanismia, tutkijat arvioivat aluksi eri metallien luontaisten työfunktioiden yhteensopivuutta WSe₂:n kanssa. Valmistettiin sarja metalli-puolijohde-metalli (MSM) -laitteita, joissa oli erilaiset metallielektrodit, ja niillä tehtiin asiaankuuluvia testejä. Lisäksi vähentämällä varauksenkuljettajien sirontaa ennen lumivyöryn alkua voidaan lieventää törmäysionisaation satunnaisuutta ja siten vähentää kohinaa. Siksi suoritettiin asiaankuuluvia testejä. Osoittaakseen edelleen Pt/WSe₂/Ni APD:n paremman vasteajan ominaisuuksien suhteen tutkijat arvioivat edelleen laitteen -3 dB:n kaistanleveyttä eri fotoelektrisen vahvistuksen arvoilla.

Kokeelliset tulokset osoittavat, että Pt/WSe₂/Ni-ilmaisimella on erittäin alhainen kohinaekvivalenttiteho (NEP) huoneenlämmössä, vain 8,07 fW/√Hz. Tämä tarkoittaa, että ilmaisin pystyy tunnistamaan erittäin heikkoja optisia signaaleja. Lisäksi laite voi toimia vakaasti 20 kHz:n modulaatiotaajuudella ja suurella 5×10⁵:n vahvistuksella, mikä ratkaisee onnistuneesti perinteisten aurinkosähköilmaisimien teknisen pullonkaulan, jossa suuren vahvistuksen ja kaistanleveyden tasapainottaminen on vaikeaa. Tämän ominaisuuden odotetaan tarjoavan sille merkittäviä etuja sovelluksissa, jotka vaativat suurta vahvistusta ja vähän kohinaa.

Tämä tutkimus osoittaa materiaalitekniikan ja rajapintojen optimoinnin ratkaisevan roolin suorituskyvyn parantamisessavaloilmaisimetElektrodien ja kaksiulotteisten materiaalien nerokkaan suunnittelun avulla on saavutettu tummien varauksenkuljettajien suojavaikutus, mikä vähentää merkittävästi kohinahäiriöitä ja parantaa entisestään havaitsemistehokkuutta.

Tämän ilmaisimen suorituskyky ei näy ainoastaan ​​valosähköisissä ominaisuuksissa, vaan sillä on myös laajat sovellusmahdollisuudet. Tehokkaan pimeän virran estämisen ansiosta huoneenlämmössä ja valon tuottamien varauksenkuljettajien tehokkaan absorboinnin ansiosta tämä ilmaisin soveltuu erityisen hyvin heikkojen valosignaalien havaitsemiseen esimerkiksi ympäristön seurannassa, tähtitieteellisessä havainnoinnissa ja optisessa viestinnässä. Tämä tutkimussaavutus ei ainoastaan ​​tarjoa uusia ideoita matalaulotteisten materiaalien valoilmaisimien kehittämiseen, vaan myös tarjoaa uusia referenssejä tulevaisuuden tehokkaiden ja pienitehoisten optoelektronisten laitteiden tutkimukseen ja kehitykseen.