ბიპოლარული ორგანზომილებიანი ზვავის ფოტოდეტექტორი

ბიპოლარული ორგანზომილებიანიზვავის ფოტოდეტექტორი

ბიპოლარული ორგანზომილებიანი ზვავის ფოტოდეტექტორი (APD ფოტოდეტექტორი) აღწევს ულტრადაბალ ხმაურს და მაღალ მგრძნობელობას

რამდენიმე ან თუნდაც ერთი ფოტონის მაღალი მგრძნობელობის დეტექციას მნიშვნელოვანი პერსპექტივები აქვს ისეთ სფეროებში, როგორიცაა სუსტი სინათლის გამოსახულება, დისტანციური ზონდირება და ტელემეტრია, ასევე კვანტური კომუნიკაცია. მათ შორის, ზვავის ფოტოდეტექტორი (APD) ოპტოელექტრონული მოწყობილობების კვლევის სფეროში მნიშვნელოვან მიმართულებად იქცა მისი მცირე ზომის, მაღალი ეფექტურობისა და მარტივი ინტეგრაციის მახასიათებლების გამო. სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობა (SNR) APD ფოტოდეტექტორის მნიშვნელოვანი ინდიკატორია, რომელიც მოითხოვს მაღალ გაძლიერებას და დაბალ ბნელ დენს. ორგანზომილებიანი (2D) მასალების ვან დერ ვაალის ჰეტეროშეერთებების კვლევა ფართო პერსპექტივებს აჩვენებს მაღალი ხარისხის APD-ების შემუშავებაში. ჩინეთიდან მკვლევარებმა ფოტომგრძნობიარე მასალად ბიპოლარული ორგანზომილებიანი ნახევარგამტარული მასალა WSe₂ აირჩიეს და საგულდაგულოდ მოამზადეს APD ფოტოდეტექტორი Pt/WSe₂/Ni სტრუქტურით, რომელსაც აქვს საუკეთესო შესაბამისობის სამუშაო ფუნქცია, რათა გადაეჭრათ ტრადიციული APD ფოტოდეტექტორის თანდაყოლილი გაძლიერების ხმაურის პრობლემა.

კვლევის ჯგუფმა შემოგვთავაზა Pt/WSe₂/Ni სტრუქტურაზე დაფუძნებული ზვავის ფოტოდეტექტორი, რომელიც უზრუნველყოფს ოთახის ტემპერატურაზე fW დონეზე უკიდურესად სუსტი სინათლის სიგნალების მაღალმგრძნობიარე აღმოჩენას. მათ შეარჩიეს ორგანზომილებიანი ნახევარგამტარული მასალა WSe₂, რომელსაც აქვს შესანიშნავი ელექტრული თვისებები, და გააერთიანეს Pt და Ni ელექტროდის მასალები, რათა წარმატებით შეექმნათ ზვავის ფოტოდეტექტორის ახალი ტიპი. Pt, WSe₂ და Ni-ს შორის სამუშაო ფუნქციის შესაბამისობის ზუსტი ოპტიმიზაციის გზით, შეიქმნა ტრანსპორტირების მექანიზმი, რომელსაც შეუძლია ეფექტურად დაბლოკოს ბნელი მატარებლები და შერჩევითად დაუშვას ფოტოგენერირებული მატარებლების გავლა. ეს მექანიზმი მნიშვნელოვნად ამცირებს მატარებლების დარტყმითი იონიზაციით გამოწვეულ ჭარბ ხმაურს, რაც ფოტოდეტექტორს საშუალებას აძლევს მიაღწიოს მაღალმგრძნობიარე ოპტიკური სიგნალის აღმოჩენას უკიდურესად დაბალ ხმაურის დონეზე.

შემდეგ, სუსტი ელექტრული ველით გამოწვეული ზვავის ეფექტის მექანიზმის გასარკვევად, მკვლევრებმა თავდაპირველად შეაფასეს სხვადასხვა ლითონის თანდაყოლილი სამუშაო ფუნქციების თავსებადობა WSe₂-თან. შეიქმნა ლითონ-ნახევარგამტარ-ლითონის (MSM) მოწყობილობების სერია სხვადასხვა ლითონის ელექტროდებით და ჩატარდა შესაბამისი ტესტები. გარდა ამისა, ზვავის დაწყებამდე მატარებლების გაფანტვის შემცირებით, შესაძლებელია დარტყმითი იონიზაციის შემთხვევითობის შემცირება, რითაც მცირდება ხმაური. ​​ამიტომ, ჩატარდა შესაბამისი ტესტები. Pt/WSe₂/Ni APD-ის უპირატესობის შემდგომი დემონსტრირების მიზნით დროის რეაგირების მახასიათებლების თვალსაზრისით, მკვლევრებმა დამატებით შეაფასეს მოწყობილობის -3 დბ გამტარობა სხვადასხვა ფოტოელექტრული გაძლიერების მნიშვნელობების დროს.

ექსპერიმენტული შედეგები აჩვენებს, რომ Pt/WSe₂/Ni დეტექტორი ოთახის ტემპერატურაზე ავლენს უკიდურესად დაბალ ხმაურის ექვივალენტურ სიმძლავრეს (NEP), რომელიც მხოლოდ 8.07 fW/√Hz-ია. ეს ნიშნავს, რომ დეტექტორს შეუძლია უკიდურესად სუსტი ოპტიკური სიგნალების იდენტიფიცირება. გარდა ამისა, ამ მოწყობილობას შეუძლია სტაბილურად იმუშაოს 20 kHz მოდულაციის სიხშირეზე 5×10⁵ მაღალი გაძლიერებით, რითაც წარმატებით წყვეტს ტრადიციული ფოტოელექტრული დეტექტორების ტექნიკურ შეფერხებას, რომელთა დროსაც რთულია მაღალი გაძლიერებისა და გამტარუნარიანობის დაბალანსება. მოსალოდნელია, რომ ეს ფუნქცია მას მნიშვნელოვან უპირატესობებს მისცემს იმ აპლიკაციებში, რომლებიც მოითხოვენ მაღალ გაძლიერებას და დაბალ ხმაურს.

ეს კვლევა აჩვენებს მასალების ინჟინერიისა და ინტერფეისის ოპტიმიზაციის გადამწყვეტ როლს მუშაობის გაუმჯობესებაში.ფოტოდეტექტორებიელექტროდებისა და ორგანზომილებიანი მასალების გენიალური დიზაინის წყალობით, მიღწეულია მუქი მატარებლების დამცავი ეფექტი, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს ხმაურის ჩარევას და კიდევ უფრო აუმჯობესებს აღმოჩენის ეფექტურობას.

ამ დეტექტორის მუშაობა არა მხოლოდ ფოტოელექტრულ მახასიათებლებში აისახება, არამედ ფართო გამოყენების პერსპექტივებიც აქვს. ოთახის ტემპერატურაზე მუქი დენის ეფექტური ბლოკირებისა და ფოტოგენერირებული მატარებლების ეფექტური შთანთქმის წყალობით, ეს დეტექტორი განსაკუთრებით შესაფერისია სუსტი სინათლის სიგნალების აღმოსაჩენად ისეთ სფეროებში, როგორიცაა გარემოს მონიტორინგი, ასტრონომიული დაკვირვება და ოპტიკური კომუნიკაცია. ეს კვლევითი მიღწევა არა მხოლოდ ახალ იდეებს იძლევა დაბალი განზომილების მასალის ფოტოდეტექტორების შემუშავებისთვის, არამედ ახალ ცნობებს გვთავაზობს მაღალი ხარისხის და დაბალი სიმძლავრის ოპტოელექტრონული მოწყობილობების მომავალი კვლევისა და განვითარებისთვის.