Bipolar todimensionellavinefotodetektor
Den bipolære todimensionelle lavinefotodetektor (APD-fotodetektor) opnår ultralav støj og høj følsomhedsdetektion
Højfølsom detektion af få fotoner eller endda enkelte fotoner har vigtige anvendelsesmuligheder inden for områder som svagt lysbilleddannelse, fjernmåling og telemetri samt kvantekommunikation. Blandt dem er lavinefotodetektoren (APD) blevet en vigtig retning inden for forskning i optoelektroniske enheder på grund af dens egenskaber som lille størrelse, høj effektivitet og nem integration. Signal-støj-forholdet (SNR) er en vigtig indikator for APD-fotodetektorer, som kræver høj forstærkning og lav mørkestrøm. Forskningen i van der Waals heterojunctions af todimensionelle (2D) materialer viser brede perspektiver i udviklingen af højtydende APD'er. Forskere fra Kina valgte det bipolære todimensionelle halvledermateriale WSe₂ som det lysfølsomme materiale og en omhyggeligt fremstillet APD-fotodetektor med en Pt/WSe₂/Ni-struktur, der har den bedste matchende arbejdsfunktion, for at løse det iboende forstærkningsstøjproblem i traditionelle APD-fotodetektorer.
Forskerholdet foreslog en lavinefotodetektor baseret på Pt/WSe₂/Ni-strukturen, som opnåede en meget følsom detektion af ekstremt svage lyssignaler på fW-niveau ved stuetemperatur. De valgte det todimensionelle halvledermateriale WSe₂, som har fremragende elektriske egenskaber, og kombinerede Pt- og Ni-elektrodematerialer for med succes at udvikle en ny type lavinefotodetektor. Ved præcist at optimere arbejdsfunktionsmatchningen mellem Pt, WSe₂ og Ni blev der designet en transportmekanisme, der effektivt kan blokere mørke bærere, samtidig med at fotogenererede bærere selektivt tillader passage. Denne mekanisme reducerer betydeligt den overdrevne støj forårsaget af bærerstødionisering, hvilket gør det muligt for fotodetektoren at opnå en meget følsom optisk signaldetektion ved et ekstremt lavt støjniveau.
For at afklare mekanismen bag lavineeffekten induceret af det svage elektriske felt, evaluerede forskerne derefter indledningsvis kompatibiliteten af de iboende arbejdsfunktioner hos forskellige metaller med WSe₂. En række metal-halvleder-metal (MSM)-enheder med forskellige metalelektroder blev fremstillet, og relevante tests blev udført på dem. Ved at reducere spredning af bærebølger, før lavinen begynder, kan tilfældigheden af ioniseringen ved anslag desuden afbødes og derved reducere støj. Derfor blev der udført relevante tests. For yderligere at demonstrere Pt/WSe₂/Ni APD's overlegenhed med hensyn til tidsresponskarakteristika, evaluerede forskerne yderligere enhedens -3 dB båndbredde under forskellige fotoelektriske forstærkningsværdier.
De eksperimentelle resultater viser, at Pt/WSe₂/Ni-detektoren udviser en ekstremt lav støjækvivalent effekt (NEP) ved stuetemperatur, som kun er 8,07 fW/√Hz. Det betyder, at detektoren kan identificere ekstremt svage optiske signaler. Derudover kan denne enhed fungere stabilt ved en modulationsfrekvens på 20 kHz med en høj forstærkning på 5×10⁵, hvilket med succes løser den tekniske flaskehals ved traditionelle solcelledetektorer, som er vanskelige at balancere høj forstærkning og båndbredde. Denne funktion forventes at give den betydelige fordele i applikationer, der kræver høj forstærkning og lav støj.
Denne forskning demonstrerer den afgørende rolle, som materialeteknik og grænsefladeoptimering spiller i forbedringen af ydeevnen affotodetektorerGennem genialt design af elektroder og todimensionelle materialer er der opnået en afskærmningseffekt af mørke bærere, hvilket reducerer støjinterferens betydeligt og yderligere forbedrer detektionseffektiviteten.
Denne detektors ydeevne afspejles ikke kun i de fotoelektriske egenskaber, men har også brede anvendelsesmuligheder. Med sin effektive blokering af mørkestrøm ved stuetemperatur og effektive absorption af fotogenererede ladningsbærere er denne detektor særligt velegnet til at detektere svage lyssignaler inden for områder som miljøovervågning, astronomisk observation og optisk kommunikation. Denne forskningspræstation giver ikke kun nye ideer til udvikling af lavdimensionelle materialefotodetektorer, men tilbyder også nye referencer til fremtidig forskning og udvikling af højtydende og lav-effekt optoelektroniske enheder.
Opslagstidspunkt: 18. juni 2025