Bipolārs divdimensijulavīnu fotodetektors
Bipolārais divdimensiju lavīnu fotodetektors (APD fotodetektors) nodrošina īpaši zemu trokšņu līmeni un augstu jutības noteikšanu
Augstas jutības dažu fotonu vai pat atsevišķu fotonu noteikšanai ir nozīmīgas pielietojuma perspektīvas tādās jomās kā vājas gaismas attēlveidošana, tālizpēte un telemetrija, kā arī kvantu komunikācija. Starp tām lavīnu fotodetektors (APD) ir kļuvis par svarīgu virzienu optoelektronisko ierīču pētījumu jomā, pateicoties tā mazajam izmēram, augstajai efektivitātei un vieglajai integrācijai. Signāla un trokšņa attiecība (SNR) ir svarīgs APD fotodetektora rādītājs, kam nepieciešams augsts pastiprinājums un zema tumšā strāva. Divdimensiju (2D) materiālu van der Valsa heterosavienojumu pētījumi liecina par plašām perspektīvām augstas veiktspējas APD izstrādē. Pētnieki no Ķīnas izvēlējās bipolāru divdimensiju pusvadītāju materiālu WSe₂ kā gaismjutīgu materiālu un rūpīgi izgatavoja APD fotodetektoru ar Pt/WSe₂/Ni struktūru, kurai ir vislabākā atbilstības darba funkcija, lai atrisinātu tradicionālā APD fotodetektora raksturīgo pastiprinājuma trokšņa problēmu.
Pētnieku komanda ierosināja lavīnu fotodetektoru, kura pamatā ir Pt/WSe₂/Ni struktūra, kas istabas temperatūrā panāca ļoti jutīgu ārkārtīgi vāju gaismas signālu noteikšanu fW līmenī. Viņi izvēlējās divdimensiju pusvadītāju materiālu WSe₂, kam ir izcilas elektriskās īpašības, un apvienoja Pt un Ni elektrodu materiālus, lai veiksmīgi izstrādātu jauna veida lavīnu fotodetektoru. Precīzi optimizējot darba funkcijas saskaņošanu starp Pt, WSe₂ un Ni, tika izstrādāts transporta mehānisms, kas var efektīvi bloķēt tumšos nesējus, vienlaikus selektīvi ļaujot fotoģenerētiem nesējiem iziet cauri. Šis mehānisms ievērojami samazina pārmērīgo troksni, ko rada nesēju trieciena jonizācija, ļaujot fotodetektoram sasniegt ļoti jutīgu optisko signālu noteikšanu ar ārkārtīgi zemu trokšņu līmeni.
Pēc tam, lai noskaidrotu vāja elektriskā lauka izraisītā lavīnas efekta mehānismu, pētnieki sākotnēji novērtēja dažādu metālu raksturīgo darba funkciju saderību ar WSe₂. Tika izgatavotas vairākas metāla-pusvadītāja-metāla (MSM) ierīces ar dažādiem metāla elektrodiem, un ar tām tika veikti atbilstoši testi. Turklāt, samazinot nesēju izkliedi pirms lavīnas sākuma, var mazināt trieciena jonizācijas nejaušību, tādējādi samazinot troksni. Tāpēc tika veikti atbilstoši testi. Lai vēl vairāk pierādītu Pt/WSe₂/Ni APD pārākumu laika reakcijas raksturlielumu ziņā, pētnieki tālāk novērtēja ierīces -3 dB joslas platumu pie dažādām fotoelektriskā pastiprinājuma vērtībām.
Eksperimentālie rezultāti liecina, ka Pt/WSe₂/Ni detektoram istabas temperatūrā ir ārkārtīgi zema trokšņa ekvivalentā jauda (NEP), kas ir tikai 8,07 fW/√Hz. Tas nozīmē, ka detektors var identificēt ārkārtīgi vājus optiskos signālus. Turklāt šī ierīce var stabili darboties ar 20 kHz modulācijas frekvenci ar augstu 5×10⁵ pastiprinājumu, veiksmīgi atrisinot tradicionālo fotoelektrisko detektoru tehnisko sašaurinājumu, kuriem ir grūti līdzsvarot augstu pastiprinājumu un joslas platumu. Paredzams, ka šī funkcija sniegs tam ievērojamas priekšrocības lietojumos, kuros nepieciešams augsts pastiprinājums un zems trokšņa līmenis.
Šis pētījums parāda materiālu inženierijas un saskarnes optimizācijas izšķirošo lomu veiktspējas uzlabošanā.fotodetektoriPateicoties atjautīgam elektrodu un divdimensiju materiālu dizainam, ir panākts tumšo nesēju ekranēšanas efekts, ievērojami samazinot trokšņa traucējumus un vēl vairāk uzlabojot noteikšanas efektivitāti.
Šī detektora veiktspēja atspoguļojas ne tikai fotoelektriskajos raksturlielumos, bet tam ir arī plašas pielietojuma iespējas. Pateicoties efektīvai tumšās strāvas bloķēšanai istabas temperatūrā un fotoģenerēto nesēju efektīvai absorbcijai, šis detektors ir īpaši piemērots vāju gaismas signālu noteikšanai tādās jomās kā vides monitorings, astronomiskā novērošana un optiskā komunikācija. Šis pētniecības sasniegums ne tikai sniedz jaunas idejas zemas dimensijas materiālu fotodetektoru izstrādei, bet arī piedāvā jaunas atsauces turpmākai augstas veiktspējas un mazjaudas optoelektronisko ierīču pētniecībai un attīstībai.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 18. jūnijs