Wysokowydajny, autonomicznyfotodetektor podczerwieni
podczerwonyfotodetektorma cechy silnej zdolności przeciwzakłóceniowej, silnej zdolności rozpoznawania celów, działania w każdych warunkach pogodowych i dobrego ukrycia. Odgrywa coraz ważniejszą rolę w takich dziedzinach jak medycyna, wojsko, technologia kosmiczna i inżynieria środowiska. Wśród nich samosterującydetekcja fotoelektrycznachip, który może działać niezależnie bez zewnętrznego dodatkowego zasilania, przyciągnął szeroką uwagę w dziedzinie detekcji podczerwieni ze względu na swoją wyjątkową wydajność (taką jak niezależność energetyczna, wysoka czułość i stabilność itp.). W przeciwieństwie do tego, tradycyjne chipy detekcji fotoelektrycznej, takie jak chipy podczerwone na bazie krzemu lub półprzewodników wąskopasmowych, nie tylko wymagają dodatkowych napięć polaryzacji, aby napędzać separację nośników fotogenerowanych w celu wytworzenia fotoprądów, ale także potrzebują dodatkowych systemów chłodzenia, aby zmniejszyć szum termiczny i poprawić responsywność. Dlatego też stało się trudne spełnienie nowych koncepcji i wymagań następnej generacji chipów detekcji podczerwieni w przyszłości, takich jak niskie zużycie energii, niewielkie rozmiary, niski koszt i wysoka wydajność.
Niedawno zespoły badawcze z Chin i Szwecji zaproponowały nowatorski, samosterujący, krótkofalowy, podczerwony (SWIR) fotoelektryczny układ detekcji heterozłączy pinowych oparty na warstwach grafenu nanoribbon (GNR)/tlenku glinu/single crystal silicon. Pod wpływem połączonego efektu bramkowania optycznego wyzwalanego przez heterogeniczny interfejs i wbudowane pole elektryczne, układ wykazał ultrawysoką reakcję i wydajność detekcji przy zerowym napięciu polaryzacji. Układ detekcji fotoelektrycznej ma szybkość reakcji A wynoszącą aż 75,3 A/W w trybie samosterującym, szybkość detekcji 7,5 × 10¹⁴ Jonesa i zewnętrzną wydajność kwantową bliską 104%, co poprawia wydajność detekcji tego samego typu układów opartych na krzemie o rekordowe 7 rzędów wielkości. Ponadto, w trybie konwencjonalnego napędu, szybkość reakcji układu, szybkość wykrywania i zewnętrzna wydajność kwantowa są odpowiednio tak wysokie, jak 843 A/W, 10¹⁵ Jonesa i 105%, co stanowi najwyższe wartości odnotowane w bieżących badaniach. Tymczasem badania te wykazały również rzeczywiste zastosowanie układu detekcji fotoelektrycznej w dziedzinie komunikacji optycznej i obrazowania w podczerwieni, podkreślając jego ogromny potencjał aplikacyjny.
Aby systematycznie badać wydajność fotoelektryczną fotodetektora opartego na monokrystalicznym krzemie z nanowstążkami grafenowymi /Al₂O₃/, badacze przetestowali jego statyczne (krzywa prąd-napięcie) i dynamiczne odpowiedzi charakterystyczne (krzywa prąd-czas). Aby systematycznie oceniać charakterystyki odpowiedzi optycznej fotodetektora heterostruktury monokrystalicznego krzemu z nanowstążkami grafenowymi /Al₂O₃/ przy różnych napięciach polaryzacji, badacze zmierzyli dynamiczną odpowiedź prądową urządzenia przy polaryzacjach 0 V, -1 V, -3 V i -5 V, przy gęstości mocy optycznej 8,15 μW/cm². Fotoprąd wzrasta wraz z odwrotną polaryzacją i wykazuje szybką prędkość odpowiedzi przy wszystkich napięciach polaryzacji.
Na koniec badacze skonstruowali system obrazowania i z powodzeniem osiągnęli samozasilane obrazowanie krótkofalowej podczerwieni. System działa przy zerowym odchyleniu i nie zużywa w ogóle energii. Zdolność obrazowania fotodetektora została oceniona przy użyciu czarnej maski ze wzorem litery „T” (jak pokazano na rysunku 1).
Podsumowując, w ramach tych badań udało się wyprodukować samozasilane fotodetektory oparte na nanowstążkach grafenowych i osiągnąć rekordowo wysoki wskaźnik odpowiedzi. Tymczasem badacze pomyślnie zademonstrowali możliwości komunikacji optycznej i obrazowania tegowysoce czuły fotodetektorTo osiągnięcie badawcze nie tylko zapewnia praktyczne podejście do rozwoju nanowstążek grafenowych i urządzeń optoelektronicznych na bazie krzemu, ale także pokazuje ich doskonałą wydajność jako samowystarczalnych fotodetektorów podczerwieni o krótkiej fali.
Czas publikacji: 28-kwi-2025