Биполарен дводимензионаленфотодетектор за лавини
Биполарниот дводимензионален фотодетектор за лавини (APD фотодетектор) постигнува ултра низок шум и висока чувствителност на детекција
Детекцијата со висока чувствителност на неколку фотони или дури и на единечни фотони има важни перспективи за примена во области како што се снимање со слаба светлина, далечинско набљудување и телеметрија и квантна комуникација. Меѓу нив, фотодетекторот за лавина (APD) стана важна насока во областа на истражувањето на оптоелектронски уреди поради неговите карактеристики на мала големина, висока ефикасност и лесна интеграција. Односот сигнал-шум (SNR) е важен индикатор за APD фотодетекторот, кој бара големо засилување и ниска темна струја. Истражувањето на ван дер Валсовите хетероспојки на дводимензионални (2D) материјали покажува широки перспективи во развојот на високо-перформансни APD. Истражувачи од Кина го избраа биполарниот дводимензионален полупроводнички материјал WSe₂ како фотосензитивен материјал и внимателно го подготвија APD фотодетекторот со структура Pt/WSe₂/Ni што има најдобра соодветна работна функција, со цел да го решат проблемот со вродениот шум на засилување на традиционалниот APD фотодетектор.
Истражувачкиот тим предложи лавински фотодетектор базиран на структурата Pt/WSe₂/Ni, кој постигна високо чувствително откривање на екстремно слаби светлосни сигнали на fW ниво на собна температура. Тие го избраа дводимензионалниот полупроводнички материјал WSe₂, кој има одлични електрични својства, и комбинираа материјали за електроди од Pt и Ni за успешно да развијат нов тип на лавински фотодетектор. Со прецизно оптимизирање на совпаѓањето на работната функција помеѓу Pt, WSe₂ и Ni, беше дизајниран транспортен механизам кој може ефикасно да ги блокира темните носители, а селективно да им дозволи на фотогенерираните носители да поминат. Овој механизам значително го намалува прекумерниот шум предизвикан од јонизацијата на ударот на носителите, овозможувајќи му на фотодетекторот да постигне високо чувствително откривање на оптички сигнали на екстремно ниско ниво на шум.
Потоа, со цел да се разјасни механизмот зад ефектот на лавина предизвикан од слабото електрично поле, истражувачите првично ја оценија компатибилноста на вродените работни функции на различни метали со WSe₂. Изработена е серија метал-полупроводник-метал (MSM) уреди со различни метални електроди и врз нив се спроведени релевантни тестови. Покрај тоа, со намалување на расејувањето на носителите пред да започне лавината, може да се ублажи случајноста на јонизацијата од ударот, со што се намалува шумот. Затоа, беа спроведени релевантни тестови. За дополнително да се демонстрира супериорноста на Pt/WSe₂/Ni APD во однос на карактеристиките на временскиот одзив, истражувачите дополнително го оценија пропусниот опсег од -3 dB на уредот под различни вредности на фотоелектрично засилување.
Експерименталните резултати покажуваат дека детекторот Pt/WSe₂/Ni покажува екстремно ниска еквивалентна моќност на шум (NEP) на собна температура, што е само 8,07 fW/√Hz. Ова значи дека детекторот може да идентификува екстремно слаби оптички сигнали. Покрај тоа, овој уред може стабилно да работи на модулациска фреквенција од 20 kHz со високо засилување од 5×10⁵, успешно решавајќи го техничкото тесно грло на традиционалните фотоволтаични детектори кои тешко се балансираат високото засилување и пропусниот опсег. Се очекува оваа карактеристика да му обезбеди значителни предности во апликациите кои бараат високо засилување и низок шум.
Ова истражување ја покажува клучната улога на материјалното инженерство и оптимизацијата на интерфејсите во подобрувањето на перформансите нафотодетекториПреку генијален дизајн на електроди и дводимензионални материјали, постигнат е ефект на заштита од темни носачи, со што значително се намалуваат пречките од бучава и дополнително се подобрува ефикасноста на детекција.
Перформансите на овој детектор не се рефлектираат само во фотоелектричните карактеристики, туку имаат и широки перспективи за примена. Со своето ефикасно блокирање на темната струја на собна температура и ефикасна апсорпција на фотогенерираните носители, овој детектор е особено погоден за откривање на слаби светлосни сигнали во области како што се мониторинг на животната средина, астрономско набљудување и оптичка комуникација. Ова истражувачко достигнување не само што дава нови идеи за развој на нискодимензионални материјални фотодетектори, туку нуди и нови референци за идно истражување и развој на високо-перформансни и ниско-енергетски оптоелектронски уреди.
Време на објавување: 18 јуни 2025 година