Bipolaarne kahemõõtmelinelaviini fotodetektor
Bipolaarne kahemõõtmeline laviinifotodetektor (APD fotodetektor) saavutab ülimadala mürataseme ja kõrge tundlikkuse tuvastamise
Väheste footonite või isegi üksikute footonite ülitundlikul tuvastamisel on olulisi rakendusvõimalusi sellistes valdkondades nagu nõrga valguse pildistamine, kaugseire ja telemeetria ning kvantkommunikatsioon. Nende hulgas on laviinifotodetektor (APD) muutunud oluliseks suunaks optoelektrooniliste seadmete uurimise valdkonnas tänu oma väikesele suurusele, kõrgele efektiivsusele ja lihtsale integreerimisele. Signaali-müra suhe (SNR) on APD fotodetektori oluline näitaja, mis nõuab suurt võimendust ja väikest tumevoolu. Kahemõõtmeliste (2D) materjalide van der Waalsi heterosiirde uuringud näitavad laialdasi väljavaateid suure jõudlusega APD-de väljatöötamisel. Hiina teadlased valisid valgustundlikuks materjaliks bipolaarse kahemõõtmelise pooljuhtmaterjali WSe₂ ja valmistasid hoolikalt APD fotodetektori Pt/WSe₂/Ni struktuuriga, millel on parim sobivustööfunktsioon, et lahendada traditsioonilise APD fotodetektori loomupärane võimendusmüra probleem.
Uurimisrühm pakkus välja Pt/WSe₂/Ni struktuuril põhineva laviinifotodetektori, mis saavutas toatemperatuuril fW tasemel äärmiselt nõrkade valgussignaalide ülitundliku tuvastamise. Nad valisid kahemõõtmelise pooljuhtmaterjali WSe₂, millel on suurepärased elektrilised omadused, ja kombineerisid Pt ja Ni elektroodimaterjalid, et edukalt välja töötada uut tüüpi laviinifotodetektor. Pt, WSe₂ ja Ni vahelise tööfunktsiooni vastavuse täpse optimeerimise abil konstrueeriti transpordimehhanism, mis suudab tõhusalt blokeerida tumedaid laengukandjaid, võimaldades samal ajal valikuliselt fotogenereeritud laengukandjatel läbi pääseda. See mehhanism vähendab oluliselt laengukandjate löökionisatsioonist tingitud liigset müra, võimaldades fotodetektoril saavutada ülitundliku optilise signaali tuvastamise äärmiselt madala müratasemega.
Seejärel, et selgitada nõrga elektrivälja poolt esilekutsutud laviiniefekti mehhanismi, hindasid teadlased esialgu erinevate metallide loomupäraste tööfunktsioonide ühilduvust WSe₂-ga. Valmistati rida metall-pooljuht-metall (MSM) seadmeid erinevate metallelektroodidega ja nendega viidi läbi asjakohased katsed. Lisaks saab laengukandjate hajumise vähendamisega enne laviini algust leevendada löökionisatsiooni juhuslikkust ja seeläbi müra. Seetõttu viidi läbi asjakohased katsed. Pt/WSe₂/Ni APD paremuse demonstreerimiseks ajalise reageerimisomaduste osas hindasid teadlased seadme -3 dB ribalaiust erinevate fotoelektrilise võimenduse väärtuste korral.
Eksperimentaalsed tulemused näitavad, et Pt/WSe₂/Ni detektoril on toatemperatuuril äärmiselt madal müra ekvivalentvõimsus (NEP), mis on vaid 8,07 fW/√Hz. See tähendab, et detektor suudab tuvastada äärmiselt nõrku optilisi signaale. Lisaks suudab see seade stabiilselt töötada modulatsioonisagedusel 20 kHz suure võimendusega 5×10⁵, lahendades edukalt traditsiooniliste fotogalvaaniliste detektorite tehnilise kitsaskoha, mille puhul on keeruline tasakaalustada suurt võimendust ja ribalaiust. See omadus peaks andma sellele olulisi eeliseid rakendustes, mis nõuavad suurt võimendust ja madalat müra.
See uuring näitab materjalitehnoloogia ja liideste optimeerimise olulist rolli jõudluse parandamisel.fotodetektoridElektroodide ja kahemõõtmeliste materjalide nutika disaini abil on saavutatud tumedate laengukandjate varjestus, mis vähendab oluliselt mürainterferentsi ja parandab veelgi detekteerimise efektiivsust.
Selle detektori jõudlus ei kajastu mitte ainult fotoelektrilistes omadustes, vaid sellel on ka laialdased rakendusvõimalused. Tänu oma efektiivsele tumevoolu blokeerimisele toatemperatuuril ja fotogenereeritud laengukandjate tõhusale neeldumisele sobib see detektor eriti hästi nõrkade valgussignaalide tuvastamiseks sellistes valdkondades nagu keskkonnaseire, astronoomiline vaatlus ja optiline side. See teadussaavutus pakub mitte ainult uusi ideid madalamõõtmeliste materjalide fotodetektorite arendamiseks, vaid pakub ka uusi viiteid edasiseks suure jõudlusega ja väikese energiatarbega optoelektrooniliste seadmete uurimiseks ja arendamiseks.
Postituse aeg: 18. juuni 2025