Διπολικός δισδιάστατος φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας

Διπολική δισδιάστατηφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας

Ο διπολικός δισδιάστατος φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας (Φωτοανιχνευτής APD) επιτυγχάνει ανίχνευση εξαιρετικά χαμηλού θορύβου και υψηλής ευαισθησίας

Η ανίχνευση υψηλής ευαισθησίας λίγων φωτονίων ή ακόμη και μεμονωμένων φωτονίων έχει σημαντικές προοπτικές εφαρμογής σε τομείς όπως η απεικόνιση ασθενούς φωτός, η τηλεπισκόπηση και η τηλεμετρία, καθώς και η κβαντική επικοινωνία. Μεταξύ αυτών, ο φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας (APD) έχει γίνει μια σημαντική κατεύθυνση στον τομέα της έρευνας για οπτοηλεκτρονικές συσκευές λόγω των χαρακτηριστικών του μικρού μεγέθους, της υψηλής απόδοσης και της εύκολης ενσωμάτωσης. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) είναι ένας σημαντικός δείκτης του φωτοανιχνευτή APD, ο οποίος απαιτεί υψηλό κέρδος και χαμηλό σκοτεινό ρεύμα. Η έρευνα σε ετεροεπαφές van der Waals δισδιάστατων (2D) υλικών δείχνει ευρείες προοπτικές στην ανάπτυξη APD υψηλής απόδοσης. Ερευνητές από την Κίνα επέλεξαν το διπολικό δισδιάστατο ημιαγωγικό υλικό WSe₂ ως το φωτοευαίσθητο υλικό και σχολαστικά παρασκευασμένο φωτοανιχνευτή APD με δομή Pt/WSe₂/Ni που έχει την καλύτερη αντιστοιχία συνάρτησης έργου, προκειμένου να λύσουν το εγγενές πρόβλημα θορύβου κέρδους του παραδοσιακού φωτοανιχνευτή APD.

Η ερευνητική ομάδα πρότεινε έναν φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας βασισμένο στη δομή Pt/WSe₂/Ni, ο οποίος πέτυχε εξαιρετικά ευαίσθητη ανίχνευση εξαιρετικά ασθενών φωτεινών σημάτων σε επίπεδο fW σε θερμοκρασία δωματίου. Επέλεξαν το δισδιάστατο ημιαγωγικό υλικό WSe₂, το οποίο έχει εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, και συνδύασαν υλικά ηλεκτροδίων Pt και Ni για να αναπτύξουν με επιτυχία έναν νέο τύπο φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας. Βελτιστοποιώντας με ακρίβεια την αντιστοίχιση της συνάρτησης έργου μεταξύ Pt, WSe₂ και Ni, σχεδιάστηκε ένας μηχανισμός μεταφοράς που μπορεί να μπλοκάρει αποτελεσματικά τους σκοτεινούς φορείς, επιτρέποντας παράλληλα επιλεκτικά στους φωτογεννημένους φορείς να διέλθουν. Αυτός ο μηχανισμός μειώνει σημαντικά τον υπερβολικό θόρυβο που προκαλείται από τον ιονισμό πρόσκρουσης φορέα, επιτρέποντας στον φωτοανιχνευτή να επιτύχει εξαιρετικά ευαίσθητη ανίχνευση οπτικού σήματος σε εξαιρετικά χαμηλό επίπεδο θορύβου.

Στη συνέχεια, προκειμένου να διευκρινιστεί ο μηχανισμός πίσω από το φαινόμενο της χιονοστιβάδας που προκαλείται από το ασθενές ηλεκτρικό πεδίο, οι ερευνητές αρχικά αξιολόγησαν τη συμβατότητα των εγγενών συναρτήσεων έργου διαφόρων μετάλλων με το WSe₂. Κατασκευάστηκε μια σειρά συσκευών μετάλλου-ημιαγωγού-μετάλλου (MSM) με διαφορετικά μεταλλικά ηλεκτρόδια και διεξήχθησαν σχετικές δοκιμές σε αυτές. Επιπλέον, μειώνοντας τη σκέδαση φορέων πριν από την έναρξη της χιονοστιβάδας, μπορεί να μετριαστεί η τυχαιότητα του ιονισμού κρούσης, μειώνοντας έτσι τον θόρυβο. Ως εκ τούτου, διεξήχθησαν σχετικές δοκιμές. Για να καταδειχθεί περαιτέρω η ανωτερότητα του Pt/WSe₂/Ni APD όσον αφορά τα χαρακτηριστικά χρονικής απόκρισης, οι ερευνητές αξιολόγησαν περαιτέρω το εύρος ζώνης -3 dB της συσκευής υπό διαφορετικές τιμές φωτοηλεκτρικού κέρδους.

Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ανιχνευτής Pt/WSe₂/Ni παρουσιάζει εξαιρετικά χαμηλή ισοδύναμη ισχύ θορύβου (NEP) σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία είναι μόνο 8,07 fW/√Hz. Αυτό σημαίνει ότι ο ανιχνευτής μπορεί να εντοπίσει εξαιρετικά ασθενή οπτικά σήματα. Επιπλέον, αυτή η συσκευή μπορεί να λειτουργεί σταθερά σε συχνότητα διαμόρφωσης 20 kHz με υψηλό κέρδος 5×10⁵, λύνοντας με επιτυχία το τεχνικό πρόβλημα συμφόρησης των παραδοσιακών φωτοβολταϊκών ανιχνευτών που είναι δύσκολο να εξισορροπηθεί το υψηλό κέρδος και το εύρος ζώνης. Αυτό το χαρακτηριστικό αναμένεται να του προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλό κέρδος και χαμηλό θόρυβο.

Αυτή η έρευνα καταδεικνύει τον κρίσιμο ρόλο της μηχανικής υλικών και της βελτιστοποίησης διεπαφών στη βελτίωση της απόδοσης τωνφωτοανιχνευτέςΜέσω του έξυπνου σχεδιασμού ηλεκτροδίων και δισδιάστατων υλικών, έχει επιτευχθεί ένα φαινόμενο θωράκισης των σκοτεινών φορέων, μειώνοντας σημαντικά τις παρεμβολές θορύβου και βελτιώνοντας περαιτέρω την αποτελεσματικότητα της ανίχνευσης.

Η απόδοση αυτού του ανιχνευτή δεν αντικατοπτρίζεται μόνο στα φωτοηλεκτρικά χαρακτηριστικά, αλλά έχει και ευρείες προοπτικές εφαρμογής. Με την αποτελεσματική παρεμπόδιση του σκοτεινού ρεύματος σε θερμοκρασία δωματίου και την αποτελεσματική απορρόφηση των φωτοπαραγόμενων φορέων, αυτός ο ανιχνευτής είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για την ανίχνευση ασθενών φωτεινών σημάτων σε τομείς όπως η περιβαλλοντική παρακολούθηση, η αστρονομική παρατήρηση και η οπτική επικοινωνία. Αυτό το ερευνητικό επίτευγμα όχι μόνο παρέχει νέες ιδέες για την ανάπτυξη φωτοανιχνευτών υλικών χαμηλών διαστάσεων, αλλά προσφέρει επίσης νέες αναφορές για τη μελλοντική έρευνα και ανάπτυξη οπτοηλεκτρονικών συσκευών υψηλής απόδοσης και χαμηλής ισχύος.