Bipolar dua dimensipengesan foto runtuhan salji
Pengesan foto salji dua dimensi bipolar (Pengesan foto APD) mencapai hingar ultra-rendah dan pengesanan sensitiviti tinggi
Pengesanan kepekaan tinggi beberapa foton atau bahkan foton tunggal mempunyai prospek aplikasi penting dalam bidang seperti pengimejan cahaya yang lemah, penderiaan jauh dan telemetri, dan komunikasi kuantum. Antaranya, pengesan foto runtuhan salji (APD) telah menjadi hala tuju penting dalam bidang penyelidikan peranti optoelektronik kerana ciri-cirinya yang kecil, kecekapan tinggi dan penyepaduan yang mudah. Nisbah isyarat kepada hingar (SNR) ialah penunjuk penting pengesan foto APD, yang memerlukan keuntungan tinggi dan arus gelap yang rendah. Penyelidikan mengenai heterojunctions van der Waals 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 menyediakan pengesan foto APD dengan teliti dengan struktur Pt/WSe₂/Ni yang mempunyai fungsi kerja padanan terbaik, untuk menyelesaikan masalah bunyi perolehan yang wujud pada pengesan foto APD tradisional.
Pasukan penyelidik mencadangkan pengesan foto runtuhan salji berdasarkan struktur Pt/WSe₂/Ni, yang mencapai pengesanan yang sangat sensitif terhadap isyarat cahaya yang sangat lemah 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 salji yang baharu. Dengan mengoptimumkan padanan fungsi kerja dengan tepat antara Pt, WSe₂ dan Ni, mekanisme pengangkutan telah direka yang boleh menyekat pembawa gelap secara berkesan sambil secara terpilih membenarkan pembawa yang dijana foto melaluinya. Mekanisme ini dengan ketara mengurangkan hingar berlebihan yang disebabkan oleh pengionan kesan 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 yang wujud bagi pelbagai logam dengan WSe₂. Satu siri peranti logam-semikonduktor-logam (MSM) dengan elektrod logam yang berbeza telah direka dan ujian yang berkaitan telah dijalankan ke atasnya. Di samping itu, dengan mengurangkan taburan pembawa sebelum runtuhan salji bermula, rawak pengionan kesan boleh dikurangkan, dengan itu mengurangkan bunyi. Oleh itu, ujian yang berkaitan telah dijalankan. Untuk menunjukkan lagi keunggulan Pt/WSe₂/Ni APD dari segi ciri tindak balas masa, penyelidik menilai lagi lebar jalur -3 dB peranti di bawah nilai perolehan fotoelektrik yang berbeza.
Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa pengesan Pt/WSe₂/Ni mempamerkan kuasa setara hingar (DEB) 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 keuntungan tinggi 5×10⁵, berjaya menyelesaikan kesesakan teknikal pengesan fotovoltaik tradisional yang sukar untuk mengimbangi keuntungan tinggi dan lebar jalur. Ciri ini dijangka memberikan kelebihan ketara dalam aplikasi yang memerlukan keuntungan tinggi dan hingar rendah.
Penyelidikan ini menunjukkan peranan penting kejuruteraan bahan dan pengoptimuman antara muka dalam meningkatkan prestasipengesan foto. Melalui reka bentuk elektrod dan bahan dua dimensi yang bijak, kesan perisai pembawa gelap telah dicapai, mengurangkan gangguan bunyi dengan ketara dan meningkatkan lagi kecekapan pengesanan.
Prestasi pengesan ini bukan sahaja dicerminkan dalam ciri fotoelektrik, tetapi juga mempunyai prospek aplikasi yang luas. Dengan penyekatan arus gelap yang berkesan pada suhu bilik dan penyerapan pembawa janaan foto yang cekap, pengesan ini amat sesuai untuk mengesan isyarat cahaya yang 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 masa depan peranti optoelektronik berprestasi tinggi dan berkuasa rendah.
Masa siaran: Jun-18-2025