Bipolarni dvodimenzionalnifotodetektor lavine
Bipolarni dvodimenzionalni lavinski fotodetektor (APD fotodetektor) postiže ultra-nizak nivo šuma i visoku osjetljivost detekcije
Detekcija visoke osjetljivosti nekoliko fotona ili čak pojedinačnih fotona ima važne mogućnosti primjene u oblastima 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 optoelektronskih uređaja zbog svojih karakteristika male veličine, visoke efikasnosti i jednostavne integracije. Odnos 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 visokoperformansnih APD-ova. Istraživači iz Kine odabrali su bipolarni dvodimenzionalni poluprovodnički materijal WSe₂ kao fotosenzitivni materijal i pažljivo pripremili APD fotodetektor sa Pt/WSe₂/Ni strukturom koja ima najbolju izhodnu funkciju podudaranja, kako bi riješili inherentni problem šuma pojačanja tradicionalnog APD fotodetektora.
Istraživački tim je predložio lavinski fotodetektor zasnovan na strukturi Pt/WSe₂/Ni, koji je postigao visoko osjetljivu detekciju izuzetno slabih svjetlosnih signala na nivou fW na sobnoj temperaturi. Odabrali su dvodimenzionalni poluprovodnički materijal WSe₂, koji ima odlična električna svojstva, te su kombinovali Pt i Ni elektrodne materijale kako bi uspješno razvili novi tip lavinskog fotodetektora. Preciznom optimizacijom podudaranja radne funkcije između Pt, WSe₂ i Ni, dizajniran je transportni mehanizam koji može efikasno blokirati tamne nosioce, a istovremeno selektivno propuštati fotogenerirane nosioce da prođu. Ovaj mehanizam značajno smanjuje prekomjernu buku uzrokovanu jonizacijom udara nosioca, omogućavajući fotodetektoru da postigne visoko osjetljivu detekciju optičkog signala na izuzetno niskom nivou buke.
Zatim, kako bi razjasnili mehanizam iza efekta lavine izazvanog slabim električnim poljem, istraživači su prvobitno procijenili kompatibilnost inherentnih izhodnih funkcija različitih metala sa WSe₂. Izrađena je serija metal-poluprovodnik-metal (MSM) uređaja sa različitim metalnim elektrodama i na njima su provedeni relevantni testovi. Osim toga, smanjenjem raspršenja nosilaca prije početka lavine, može se ublažiti slučajnost udarne jonizacije, čime se smanjuje šum. Stoga su provedeni relevantni testovi. Kako bi dodatno demonstrirali superiornost Pt/WSe₂/Ni APD-a u smislu karakteristika vremenskog odziva, istraživači su dalje procijenili propusni opseg 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 propusni opseg. Očekuje se da će mu ova karakteristika pružiti značajne prednosti u primjenama koje zahtijevaju visoko pojačanje i nizak šum.
Ovo istraživanje pokazuje ključnu ulogu inženjerstva materijala i optimizacije međupovršine u poboljšanju performansi...fotodetektoriZahvaljujući genijalnom dizajnu elektroda i dvodimenzionalnih materijala, postignut je efekat zaštite tamnih nosilaca, značajno smanjujući smetnje šuma i dodatno poboljšavajući efikasnost detekcije.
Performanse ovog detektora ne odražavaju se samo u fotoelektričnim karakteristikama, već imaju i široke mogućnosti primjene. Zahvaljujući efikasnom blokiranju tamne struje na sobnoj temperaturi i efikasnoj apsorpciji fotogeneriranih nosilaca, ovaj detektor je posebno pogodan za detekciju slabih svjetlosnih signala u oblastima kao što su praćenje okoliša, astronomsko posmatranje i optička komunikacija. Ovo istraživačko dostignuće ne samo da pruža nove ideje za razvoj fotodetektora od niskodimenzionalnih materijala, već nudi i nove reference za buduća istraživanja i razvoj visokoperformansnih i niskoenergetskih optoelektronskih uređaja.
Vrijeme objave: 18. juni 2025.