Bipolar dua dimensipengesan foto runtuhan salji
Pengesan foto runtuhan salji dua dimensi bipolar (Pengesan foto APD) mencapai hingar ultra rendah dan pengesanan kepekaan tinggi
Pengesanan sensitiviti tinggi bagi beberapa foton atau foton tunggal mempunyai prospek aplikasi penting dalam bidang seperti pengimejan cahaya lemah, penderiaan jauh dan telemetri, dan komunikasi kuantum. Antaranya, fotodetektor avalanche (APD) telah menjadi hala tuju penting dalam bidang penyelidikan peranti optoelektronik kerana ciri-cirinya yang bersaiz kecil, kecekapan tinggi dan penyepaduan yang mudah. Nisbah isyarat-ke-bunyi (SNR) merupakan penunjuk penting bagi fotodetektor APD, yang memerlukan gandaan tinggi dan arus gelap yang rendah. Penyelidikan mengenai heterojunksi van der Waals bagi bahan dua dimensi (2D) menunjukkan prospek yang luas dalam pembangunan APD berprestasi tinggi. Penyelidik dari China memilih bahan semikonduktor dua dimensi bipolar WSe₂ sebagai bahan fotosensitif dan fotodetektor APD yang disediakan dengan teliti dengan struktur Pt/WSe₂/Ni yang mempunyai fungsi kerja padanan terbaik, untuk menyelesaikan masalah hingar gandaan yang wujud bagi fotodetektor APD tradisional.
Pasukan penyelidikan mencadangkan pengesan foto runtuhan salji berdasarkan struktur Pt/WSe₂/Ni, yang mencapai pengesanan isyarat cahaya yang sangat sensitif pada tahap fW pada suhu bilik. Mereka memilih bahan semikonduktor dua dimensi WSe₂, yang mempunyai sifat elektrik yang sangat baik, dan menggabungkan bahan elektrod Pt dan Ni untuk berjaya membangunkan jenis pengesan foto runtuhan salji yang baharu. Dengan mengoptimumkan padanan fungsi kerja antara Pt, WSe₂ dan Ni dengan tepat, mekanisme pengangkutan telah direka bentuk yang boleh menyekat pembawa gelap secara berkesan sambil secara selektif membenarkan pembawa fotojana melaluinya. Mekanisme ini dengan ketara mengurangkan hingar berlebihan yang disebabkan oleh pengionan hentaman pembawa, membolehkan pengesan foto mencapai pengesanan isyarat optik yang sangat sensitif pada tahap hingar yang sangat rendah.
Kemudian, untuk menjelaskan mekanisme di sebalik kesan runtuhan salji yang disebabkan oleh medan elektrik yang lemah, para penyelidik pada mulanya menilai keserasian fungsi kerja semula jadi pelbagai logam dengan WSe₂. Satu siri peranti logam-semikonduktor-logam (MSM) dengan elektrod logam yang berbeza telah dibuat dan ujian yang berkaitan telah dijalankan ke atasnya. Di samping itu, dengan mengurangkan penyebaran pembawa sebelum runtuhan salji bermula, kerawangan pengionan hentaman dapat dikurangkan, sekali gus mengurangkan hingar. Oleh itu, ujian yang berkaitan telah dijalankan. Untuk menunjukkan lebih lanjut keunggulan Pt/WSe₂/Ni APD dari segi ciri tindak balas masa, para penyelidik menilai lebih lanjut lebar jalur -3 dB peranti di bawah nilai gandaan fotoelektrik yang berbeza.
Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa pengesan Pt/WSe₂/Ni mempamerkan kuasa setara hingar (NEP) yang sangat rendah pada suhu bilik, iaitu hanya 8.07 fW/√Hz. Ini bermakna pengesan boleh mengenal pasti isyarat optik yang sangat lemah. Di samping itu, peranti ini boleh beroperasi secara stabil pada frekuensi modulasi 20 kHz dengan gandaan tinggi 5×10⁵, berjaya menyelesaikan kesesakan teknikal pengesan fotovoltaik tradisional yang sukar untuk mengimbangi gandaan tinggi dan lebar jalur. Ciri ini dijangka memberikannya kelebihan yang ketara dalam aplikasi yang memerlukan gandaan tinggi dan hingar rendah.
Kajian ini menunjukkan peranan penting kejuruteraan bahan dan pengoptimuman antara muka dalam meningkatkan prestasipengesan fotoMelalui reka bentuk elektrod dan bahan dua dimensi yang bijak, kesan perisai pembawa gelap telah dicapai, sekali gus mengurangkan gangguan hingar dengan ketara dan meningkatkan lagi kecekapan pengesanan.
Prestasi pengesan ini bukan sahaja tercermin dalam ciri-ciri fotoelektrik, tetapi juga mempunyai prospek aplikasi yang luas. Dengan penyekatan arus gelap yang berkesan pada suhu bilik dan penyerapan pembawa fotojana yang cekap, pengesan ini amat sesuai untuk mengesan isyarat cahaya lemah dalam bidang seperti pemantauan alam sekitar, pemerhatian astronomi dan komunikasi optik. Pencapaian penyelidikan ini bukan sahaja memberikan idea baharu untuk pembangunan pengesan foto bahan berdimensi rendah, tetapi juga menawarkan rujukan baharu untuk penyelidikan dan pembangunan peranti optoelektronik berprestasi tinggi dan berkuasa rendah pada masa hadapan.
Masa siaran: 18 Jun 2025