Bipolinis dvimatislavinos fotodetektorius
Bipolinis dvimatis lavinos fotodetektorius (APD fotodetektorius) pasiekia itin mažą triukšmą ir didelį jautrumo aptikimą
Didelio jautrumo kelių ar net pavienių fotonų aptikimas turi svarbių pritaikymo perspektyvų tokiose srityse kaip silpnos šviesos vaizdavimas, nuotolinis stebėjimas ir telemetrija bei kvantinė komunikacija. Tarp jų lavinų fotodetektorius (APD) tapo svarbia optoelektroninių prietaisų tyrimų kryptimi dėl savo mažo dydžio, didelio efektyvumo ir lengvo integravimo savybių. Signalo ir triukšmo santykis (SNR) yra svarbus APD fotodetektoriaus rodiklis, kuriam reikalingas didelis stiprinimas ir maža tamsioji srovė. Dvimačių (2D) medžiagų van der Valso heterosandūrų tyrimai rodo plačias perspektyvas kuriant didelio našumo APD. Kinijos tyrėjai pasirinko bipolinę dvimatę puslaidininkinę medžiagą WSe₂ kaip jautrią šviesai medžiagą ir kruopščiai paruošė APD fotodetektorių su Pt/WSe₂/Ni struktūra, kuri geriausiai atitinka darbo funkciją, siekdami išspręsti tradicinio APD fotodetektoriaus būdingą stiprinimo triukšmo problemą.
Mokslininkų komanda pasiūlė lavinų fotodetektorių, pagrįstą Pt/WSe₂/Ni struktūra, kuris kambario temperatūroje pasiekė labai jautrų itin silpnų šviesos signalų aptikimą fW lygmenyje. Jie pasirinko dvimatę puslaidininkinę medžiagą WSe₂, pasižyminčią puikiomis elektrinėmis savybėmis, ir sujungė Pt bei Ni elektrodų medžiagas, kad sėkmingai sukurtų naujo tipo lavinų fotodetektorių. Tiksliai optimizavus darbo funkcijos atitikimą tarp Pt, WSe₂ ir Ni, buvo sukurtas pernašos mechanizmas, kuris gali efektyviai blokuoti tamsiuosius krūvininkus, tuo pačiu selektyviai leisdamas fotogeneruotiems krūvininkams praeiti. Šis mechanizmas žymiai sumažina pernelyg didelį triukšmą, kurį sukelia krūvininkų smūginė jonizacija, todėl fotodetektorius gali pasiekti labai jautrų optinio signalo aptikimą esant itin mažam triukšmo lygiui.
Tuomet, siekdami išsiaiškinti silpno elektrinio lauko sukelto lavinos efekto mechanizmą, tyrėjai iš pradžių įvertino įvairių metalų būdingo darbo funkcijų suderinamumą su WSe₂. Buvo pagaminta eilė metalo-puslaidininkio-metalo (MSM) įtaisų su skirtingais metaliniais elektrodais ir atlikti atitinkami bandymai. Be to, sumažinus krūvininkų sklaidą prieš prasidedant lavinai, galima sumažinti smūginės jonizacijos atsitiktinumą ir taip sumažinti triukšmą. Todėl buvo atlikti atitinkami bandymai. Siekdami dar labiau įrodyti Pt/WSe₂/Ni APD pranašumą laiko atsako charakteristikų atžvilgiu, tyrėjai toliau įvertino įtaiso -3 dB pralaidumą esant skirtingoms fotoelektrinio stiprinimo vertėms.
Eksperimentiniai rezultatai rodo, kad Pt/WSe₂/Ni detektorius kambario temperatūroje pasižymi itin maža triukšmo ekvivalento galia (NEP), kuri yra tik 8,07 fW/√Hz. Tai reiškia, kad detektorius gali aptikti itin silpnus optinius signalus. Be to, šis įrenginys gali stabiliai veikti esant 20 kHz moduliacijos dažniui ir dideliam 5×10⁵ stiprinimui, sėkmingai išspręsdamas technines tradicinių fotovoltinių detektorių kliūtis, kai sunku subalansuoti didelį stiprinimą ir pralaidumą. Tikimasi, kad ši savybė suteiks jam reikšmingų pranašumų taikymuose, kuriems reikalingas didelis stiprinimas ir mažas triukšmas.
Šis tyrimas parodo esminį medžiagų inžinerijos ir sąsajos optimizavimo vaidmenį gerinant našumą.fotodetektoriaiIšradingai suprojektavus elektrodus ir dvimačius elementus, buvo pasiektas tamsiųjų krūvininkų ekranavimo efektas, žymiai sumažinantis triukšmo trukdžius ir dar labiau pagerinantis aptikimo efektyvumą.
Šio detektoriaus veikimas atsispindi ne tik fotoelektrinėse charakteristikose, bet ir turi plačias taikymo galimybes. Dėl efektyvaus tamsiosios srovės blokavimo kambario temperatūroje ir efektyvios fotogeneruotų nešėjų absorbcijos šis detektorius ypač tinka silpnų šviesos signalų aptikimui tokiose srityse kaip aplinkos monitoringas, astronominiai stebėjimai ir optinis ryšys. Šis tyrimų pasiekimas ne tik suteikia naujų idėjų mažo matmens medžiagų fotodetektorių kūrimui, bet ir siūlo naujas nuorodas būsimiems didelio našumo ir mažos galios optoelektroninių prietaisų tyrimams ir plėtrai.
Įrašo laikas: 2025 m. birželio 18 d.