Bipolarni dvodimenzionalnifotodetektor lavina
Bipolarni dvodimenzionalni lavinski fotodetektor (APD fotodetektor) postiže ultra nisku razinu šuma i visoku osjetljivost detekcije
Detekcija visoke osjetljivosti nekoliko fotona ili čak pojedinačnih fotona ima važne mogućnosti primjene u područjima kao što su snimanje pri slabom svjetlu, daljinsko istraživanje i telemetrija te kvantna komunikacija. Među njima, lavinski fotodetektor (APD) postao je važan smjer u području istraživanja optoelektroničkih uređaja zbog svojih karakteristika male veličine, visoke učinkovitosti i jednostavne integracije. Omjer signala i šuma (SNR) važan je pokazatelj APD fotodetektora, koji zahtijeva visoko pojačanje i nisku tamnu struju. Istraživanje van der Waalsovih heterospojeva dvodimenzionalnih (2D) materijala pokazuje široke mogućnosti u razvoju visokoučinkovitih APD-ova. Istraživači iz Kine odabrali su bipolarni dvodimenzionalni poluvodički materijal WSe₂ kao fotoosjetljivi materijal i pažljivo pripremili APD fotodetektor sa strukturom Pt/WSe₂/Ni koja ima najbolju izhodnu funkciju podudaranja, kako bi riješili inherentni problem šuma pojačanja tradicionalnog APD fotodetektora.
Istraživački tim predložio je lavinski fotodetektor temeljen na strukturi Pt/WSe₂/Ni, koji je postigao vrlo osjetljivu detekciju izuzetno slabih svjetlosnih signala na razini fW na sobnoj temperaturi. Odabrali su dvodimenzionalni poluvodički materijal WSe₂, koji ima izvrsna električna svojstva, te kombinirali Pt i Ni elektrodne materijale kako bi uspješno razvili novu vrstu lavinskog fotodetektora. Preciznom optimizacijom podudaranja radne funkcije između Pt, WSe₂ i Ni, dizajniran je transportni mehanizam koji može učinkovito blokirati tamne nosioce, a istovremeno selektivno propuštati fotogenerirane nosioce. Ovaj mehanizam značajno smanjuje prekomjernu buku uzrokovanu ionizacijom udara nosioca, omogućujući fotodetektoru da postigne vrlo osjetljivu detekciju optičkog signala na izuzetno niskoj razini buke.
Zatim, kako bi razjasnili mehanizam iza efekta lavine izazvanog slabim električnim poljem, istraživači su u početku procijenili kompatibilnost inherentnih izhodnih funkcija različitih metala s WSe₂. Izrađen je niz metal-poluvodič-metal (MSM) uređaja s različitim metalnim elektrodama i na njima su provedena relevantna ispitivanja. Osim toga, smanjenjem raspršenja nosioca prije početka lavine, može se ublažiti slučajnost udarne ionizacije, čime se smanjuje šum. Stoga su provedena relevantna ispitivanja. Kako bi dodatno pokazali superiornost Pt/WSe₂/Ni APD-a u smislu karakteristika vremenskog odziva, istraživači su dodatno procijenili propusnost uređaja od -3 dB pod različitim vrijednostima fotoelektričnog pojačanja.
Eksperimentalni rezultati pokazuju da Pt/WSe₂/Ni detektor pokazuje izuzetno nisku ekvivalentnu snagu šuma (NEP) na sobnoj temperaturi, koja iznosi samo 8,07 fW/√Hz. To znači da detektor može identificirati izuzetno slabe optičke signale. Osim toga, ovaj uređaj može stabilno raditi na modulacijskoj frekvenciji od 20 kHz s visokim pojačanjem od 5×10⁵, uspješno rješavajući tehničko usko grlo tradicionalnih fotonaponskih detektora kojima je teško uravnotežiti visoko pojačanje i propusnost. Očekuje se da će mu ova značajka pružiti značajne prednosti u primjenama koje zahtijevaju visoko pojačanje i nisku razinu šuma.
Ovo istraživanje pokazuje ključnu ulogu inženjerstva materijala i optimizacije međupovršine u poboljšanju performansifotodetektoriDomišljatim dizajnom elektroda i dvodimenzionalnih materijala postignut je učinak zaštite tamnih nositelja, značajno smanjujući smetnje šuma i dodatno poboljšavajući učinkovitost detekcije.
Performanse ovog detektora ne odražavaju se samo u fotoelektričnim karakteristikama, već imaju i široke mogućnosti primjene. Zahvaljujući učinkovitom blokiranju tamne struje na sobnoj temperaturi i učinkovitoj apsorpciji fotogeneriranih nositelja, ovaj detektor je posebno prikladan za detekciju slabih svjetlosnih signala u područjima kao što su praćenje okoliša, astronomsko promatranje i optička komunikacija. Ovo istraživačko postignuće ne samo da pruža nove ideje za razvoj fotodetektora od niskodimenzionalnih materijala, već nudi i nove reference za buduća istraživanja i razvoj visokoučinkovitih i niskoenergetskih optoelektroničkih uređaja.
Vrijeme objave: 18. lipnja 2025.