Uutta tutkimusta matalaulotteisesta lumivyöryvalodetektorista
Muutaman fotonin tai jopa yksittäisen fotonin teknologioiden herkällä havaitsemisella on merkittäviä sovellusmahdollisuuksia esimerkiksi hämäräkuvantamisessa, kaukokartoituksessa ja telemetriassa sekä kvanttiviestinnässä. Näistä lumivyöryvalodetektoreista (APD) on tullut tärkeä suunta optoelektronisten laitteiden tutkimuksessa niiden pienen koon, korkean hyötysuhteen ja helpon integroinnin ansiosta. Signaali-kohinasuhde (SNR) on tärkeä indikaattori APD-valodetektorille, joka vaatii suurta vahvistusta ja pientä pimeävirtaa. Kaksiulotteisen (2D) materiaalin van der Waals -heteroliitosten tutkimus osoittaa laajoja mahdollisuuksia korkean suorituskyvyn APD-laitteiden kehittämisessä. Kiinalaiset tutkijat valitsivat bipolaarisen kaksiulotteisen puolijohdemateriaalin WSe₂:n valoherkäksi materiaaliksi ja valmistelivat huolellisesti Pt/WSe₂/Ni-rakenteen.APD-valoilmaisinparhaiten vastaavalla työfunktiolla perinteisen APD:n luontaisen vahvistuskohinaongelman ratkaisemiseksi.
Tutkijat ovat ehdottaneetlumivyöryvaloilmaisinPt/WSe₂/Ni-rakenteeseen perustuen saavutettiin erittäin herkkä erittäin heikkojen valosignaalien havaitseminen fW-tasolla huoneenlämmössä. He valitsivat kaksiulotteisen puolijohdemateriaalin WSe₂:n, jolla on erinomaiset sähköiset ominaisuudet, ja yhdistivät sen Pt- ja Ni-elektrodimateriaaleihin kehittääkseen onnistuneesti uudentyyppisen lumivyöryvalodetektorin. 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 ylimääräistä kohinaa, jolloin valodetektori saavuttaa erittäin herkän optisen signaalin havaitsemisen erittäin alhaisella kohinatasolla.
Tämä tutkimus osoittaa materiaalitekniikan ja rajapintojen optimoinnin ratkaisevan roolin suorituskyvyn parantamisessavaloilmaisimetElektrodien ja kaksiulotteisten materiaalien nerokkaan suunnittelun avulla saavutettiin tummien varauksenkuljettajien suojavaikutus, mikä vähensi merkittävästi kohinahäiriöitä ja paransi entisestään ilmaisun tehokkuutta. Tämän ilmaisimen suorituskyky ei heijastu ainoastaan sen fotoelektrisissä ominaisuuksissa, vaan sillä on myös laajat sovellusmahdollisuudet. Tehokkaan pimeän virran estämisen ansiosta huoneenlämmössä ja valolla tuotettujen varauksenkuljettajien tehokkaan absorboinnin ansiosta tämä valoilmaisin soveltuu erityisen hyvin heikkojen valosignaalien havaitsemiseen esimerkiksi ympäristön seurannassa, tähtitieteellisessä havainnoinnissa ja optisessa tietoliikenteessä. 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.
Julkaisun aika: 27. elokuuta 2025