Біпалярны двухмернылавінны фотадэтэктар
Біпалярны двухмерны лавінны фотадэтэктар (Фотадэтэктар APD) дасягае звышнізкага ўзроўню шуму і высокай адчувальнасці выяўлення
Высокаадчувальнае выяўленне некалькіх фатонаў або нават адзінкавых фатонаў мае важныя перспектывы прымянення ў такіх галінах, як візуалізацыя ў слабым святле, дыстанцыйнае зандзіраванне і тэлеметрыя, а таксама квантавая камунікацыя. Сярод іх лавінны фотадэтэктар (ЛФД) стаў важным напрамкам у галіне даследаванняў оптаэлектронных прылад дзякуючы сваім характарыстыкам малога памеру, высокай эфектыўнасці і лёгкай інтэграцыі. Стаўленне сігнал/шум (SNR) з'яўляецца важным паказчыкам ЛФД-фотадэтэктара, які патрабуе высокага каэфіцыента ўзмацнення і нізкага цёмнага току. Даследаванні ван-дэр-ваальсавых гетэрапераходаў двухмерных (2D) матэрыялаў паказваюць шырокія перспектывы ў распрацоўцы высокапрадукцыйных ЛФД. Даследчыкі з Кітая выбралі біпалярны двухмерны паўправадніковы матэрыял WSe₂ у якасці фотаадчувальнага матэрыялу і старанна падрыхтавалі ЛФД-фотадэтэктар са структурай Pt/WSe₂/Ni, якая мае найлепшую працу выхаду, каб вырашыць праблему шуму ўзмацнення, уласцівую традыцыйным ЛФД-фотадэтэктарам.
Даследчая група прапанавала лавінны фотадэтэктар на аснове структуры Pt/WSe₂/Ni, які дасягнуў высокай адчувальнасці выяўлення надзвычай слабых светлавых сігналаў на ўзроўні fW пры пакаёвай тэмпературы. Яны выбралі двухмерны паўправадніковы матэрыял WSe₂, які мае выдатныя электрычныя ўласцівасці, і спалучылі матэрыялы электродаў Pt і Ni для паспяховай распрацоўкі новага тыпу лавіннага фотадэтэктара. Дзякуючы дакладнай аптымізацыі супадзення працы выхаду паміж Pt, WSe₂ і Ni быў распрацаваны транспартны механізм, які можа эфектыўна блакаваць цёмныя носьбіты, адначасова выбарачна прапускаючы фотагенераваныя носьбіты. Гэты механізм значна памяншае празмерны шум, выкліканы іанізацыяй удару носьбітаў, што дазваляе фотадэтэктару дасягнуць высокай адчувальнасці выяўлення аптычнага сігналу пры надзвычай нізкім узроўні шуму.
Затым, каб высветліць механізм эфекту лавіны, выкліканага слабым электрычным полем, даследчыкі спачатку ацанілі сумяшчальнасць уласцівых работ выхаду розных металаў з WSe₂. Была выраблена серыя прылад метал-паўправаднік-метал (MSM) з рознымі металічнымі электродамі, і на іх былі праведзены адпаведныя выпрабаванні. Акрамя таго, шляхам зніжэння рассейвання носьбітаў перад пачаткам лавіны можна паменшыць выпадковасць ударнай іянізацыі, тым самым зніжаючы шум. Таму былі праведзены адпаведныя выпрабаванні. Каб далей прадэманстраваць перавагу Pt/WSe₂/Ni лавіннага фотаэлектрычнага прыбора з пункту гледжання характарыстык часовага водгуку, даследчыкі дадаткова ацанілі паласу прапускання прылады -3 дБ пры розных значэннях фотаэлектрычнага ўзмацнення.
Вынікі эксперыментаў паказваюць, што дэтэктар Pt/WSe₂/Ni мае надзвычай нізкую эквівалентную магутнасць шуму (NEP) пры пакаёвай тэмпературы, якая складае ўсяго 8,07 fW/√Hz. Гэта азначае, што дэтэктар можа вызначаць надзвычай слабыя аптычныя сігналы. Акрамя таго, гэта прылада можа стабільна працаваць на частаце мадуляцыі 20 кГц з высокім каэфіцыентам узмацнення 5×10⁵, паспяхова вырашаючы тэхнічную праблему традыцыйных фотаэлектрычных дэтэктараў, якія складана збалансаваць паміж высокім каэфіцыентам узмацнення і прапускной здольнасцю. Чакаецца, што гэтая асаблівасць забяспечыць яму значныя перавагі ў прымяненнях, якія патрабуюць высокага каэфіцыента ўзмацнення і нізкага ўзроўню шуму.
Гэта даследаванне дэманструе вырашальную ролю матэрыяльнай інжынерыі і аптымізацыі інтэрфейсу ў павышэнні прадукцыйнасціфотадэтэктарыДзякуючы вынаходлівай канструкцыі электродаў і двухмерных матэрыялаў быў дасягнуты эфект экранавання цёмных носьбітаў, што значна зніжае шумавыя перашкоды і яшчэ больш павышае эфектыўнасць выяўлення.
Прадукцыйнасць гэтага дэтэктара адлюстроўваецца не толькі ў фотаэлектрычных характарыстыках, але і мае шырокія перспектывы прымянення. Дзякуючы эфектыўнаму блакаванню цёмнага току пры пакаёвай тэмпературы і эфектыўнаму паглынанню фотагенераваных носьбітаў, гэты дэтэктар асабліва падыходзіць для выяўлення слабых светлавых сігналаў у такіх галінах, як маніторынг навакольнага асяроддзя, астранамічныя назіранні і аптычная сувязь. Гэта даследчае дасягненне не толькі дае новыя ідэі для распрацоўкі нізкаразмерных матэрыяльных фотадэтэктараў, але і прапануе новыя арыенціры для будучых даследаванняў і распрацовак высокапрадукцыйных і маламагутных оптаэлектронных прылад.
Час публікацыі: 18 чэрвеня 2025 г.