Bipolarni dvodimenzionalniplazovni fotodetektor
Bipolarni dvodimenzionalni plazovni fotodetektor (APD fotodetektor) dosega izjemno nizek šum in visoko občutljivost zaznavanja
Visoko občutljivo zaznavanje nekaj fotonov ali celo posameznih fotonov ima pomembne možnosti uporabe na področjih, kot so slikanje v šibki svetlobi, daljinsko zaznavanje in telemetrija ter kvantna komunikacija. Med njimi je plazoviti fotodetektor (APD) postal pomembna smer na področju raziskav optoelektronskih naprav zaradi svojih značilnosti majhnosti, visoke učinkovitosti in enostavne integracije. Razmerje signal-šum (SNR) je pomemben kazalnik APD fotodetektorja, ki zahteva visoko ojačanje in nizek temni tok. Raziskave van der Waalsovih heterospojnic dvodimenzionalnih (2D) materialov kažejo na široke možnosti pri razvoju visokozmogljivih APD. Raziskovalci iz Kitajske so kot fotoobčutljiv material izbrali bipolarni dvodimenzionalni polprevodniški material WSe₂ in skrbno pripravili APD fotodetektor s strukturo Pt/WSe₂/Ni, ki ima najboljšo izhodno funkcijo, da bi rešili problem inherentnega šuma ojačanja tradicionalnega APD fotodetektorja.
Raziskovalna skupina je predlagala plazni fotodetektor, ki temelji na strukturi Pt/WSe₂/Ni in dosega visoko občutljivost zaznavanja izjemno šibkih svetlobnih signalov na ravni fW pri sobni temperaturi. Izbrali so dvodimenzionalni polprevodniški material WSe₂, ki ima odlične električne lastnosti, in združili elektrodne materiale Pt in Ni, da bi uspešno razvili novo vrsto plazilnega fotodetektorja. Z natančno optimizacijo ujemanja delovne funkcije med Pt, WSe₂ in Ni je bil zasnovan transportni mehanizem, ki lahko učinkovito blokira temne nosilce, hkrati pa selektivno omogoča prehod fotogeneriranih nosilcev. Ta mehanizem znatno zmanjša prekomerni šum, ki ga povzroča ionizacija ob udarcu nosilcev, kar fotodetektorju omogoča visoko občutljivostno zaznavanje optičnih signalov pri izjemno nizki ravni šuma.
Nato so raziskovalci, da bi razjasnili mehanizem plaznega učinka, ki ga povzroča šibko električno polje, najprej ocenili združljivost inherentnih izhodnih funkcij različnih kovin z WSe₂. Izdelali so vrsto naprav kovina-polprevodnik-kovina (MSM) z različnimi kovinskimi elektrodami in na njih izvedli ustrezne teste. Poleg tega je mogoče z zmanjšanjem sipanja nosilcev pred začetkom plazu ublažiti naključnost udarne ionizacije, s čimer se zmanjša šum. Zato so izvedli ustrezne teste. Da bi dodatno dokazali superiornost Pt/WSe₂/Ni APD glede na časovne odzivne karakteristike, so raziskovalci dodatno ocenili pasovno širino naprave -3 dB pri različnih vrednostih fotoelektričnega ojačanja.
Eksperimentalni rezultati kažejo, da detektor Pt/WSe₂/Ni pri sobni temperaturi izkazuje izjemno nizko ekvivalentno moč šuma (NEP), ki znaša le 8,07 fW/√Hz. To pomeni, da lahko detektor prepozna izjemno šibke optične signale. Poleg tega lahko ta naprava stabilno deluje pri modulacijski frekvenci 20 kHz z visokim ojačanjem 5×10⁵, s čimer uspešno rešuje tehnično ozko grlo tradicionalnih fotonapetostnih detektorjev, pri katerih je težko uravnotežiti visoko ojačanje in pasovno širino. Pričakuje se, da bo ta lastnost prinesla znatne prednosti v aplikacijah, ki zahtevajo visoko ojačanje in nizek šum.
Ta raziskava dokazuje ključno vlogo materialnega inženiringa in optimizacije vmesnikov pri izboljšanju učinkovitosti ...fotodetektorjiZ domiselno zasnovo elektrod in dvodimenzionalnih materialov je bil dosežen zaščitni učinek temnih nosilcev, kar je znatno zmanjšalo motnje šuma in dodatno izboljšalo učinkovitost zaznavanja.
Zmogljivost tega detektorja se ne odraža le v fotoelektričnih značilnostih, temveč ima tudi široke možnosti uporabe. Z učinkovitim blokiranjem temnega toka pri sobni temperaturi in učinkovito absorpcijo fotogeneriranih nosilcev je ta detektor še posebej primeren za zaznavanje šibkih svetlobnih signalov na področjih, kot so spremljanje okolja, astronomsko opazovanje in optična komunikacija. Ta raziskovalni dosežek ne le ponuja nove ideje za razvoj fotodetektorjev iz nizkodimenzionalnih materialov, temveč ponuja tudi nove reference za prihodnje raziskave in razvoj visokozmogljivih in nizkoenergijskih optoelektronskih naprav.
Čas objave: 18. junij 2025