Создано фотонное устройство следующего поколения толщиной в атом
В новой статье Advanced Photonics Research учёные из Стэнфордского университета описывают впечатляющие свойства своего фотодетектора, который имеет улучшенную чувствительность в диапазоне от ультрафиолетового (УФ) до ближнего инфракрасного света. Они подали предварительный патент на свое устройство и работают над основной патентной заявкой.
Характеристики устройства.
а) Оптическое изображение массива устройств.
б) Увеличенное изображение одного устройства. Во-первых, полное покрытие монослоя MoS2 было выращено методом CVD с твердым источником. Полоски образцов были изготовлены с помощью оптической литографии с последующим травлением в кислородной плазме (прямоугольник с красной пунктирной линией).
в) Схематично показано поперечное сечение устройства.
г) Спектроскопия комбинационного рассеяния монослойного образца MoS2. Наличие двух пиков (E' и A1') подтверждает монослойную природу MoS2, выращенного методом CV. Лазерный источник возбуждения имел длину волны 532 нм.
Авторы и права: Advanced Photonics Research (2023 г.). DOI: 10.1002/adpr.202300029
От микроскопов и камер до приборов ночного видения и оптоволоконной связи фотодетекторы имеют широкий спектр применений. Фотодетекторы улавливают и преобразуют свет в электрические сигналы, но часто ограничиваются обнаружением узкой части спектра длин волн. Материалы, используемые для изготовления этих устройств, часто препятствуют усилиям по созданию улучшенных широкополосных нанофотодетекторов.
Новое устройство от доцента физики и астрономии государственного университета Сан-Франциско AKM Newaz и его аспиранта Hon-Loen Sinn может решить некоторые из этих проблем. В новой статье Advanced Photonics Research команда и их сотрудники из Стэнфордского университета описывают впечатляющие свойства своего фотодетектора, который имеет улучшенную чувствительность в диапазоне от ультрафиолетового (УФ) до ближнего инфракрасного света. Они подали предварительный патент на свое устройство и работают над основной патентной заявкой.
«УФ [ультрафиолетовый] фотодетектор очень полезен для [ряда приложений] от биологии до космической астрономии и пожарных мониторов. Все эти современные каналы связи [используют] видимый и инфракрасный диапазоны», — сказал Ньюаз. «У нас не так много более эффективных УФ-фотодетекторов, поэтому люди не используют УФ-излучение».
Лаборатория Ньюаза изучает атомарно тонкие полупроводниковые материалы, такие как дисульфид молибдена (MoS2), для создания широкополосных наноразмерных фотодетекторов. Хотя MoS2 подает надежды, у него есть дефекты при взаимодействии с металлами, такими как золото, которые можно найти в некоторых устройствах. Недавние исследования показывают, что введение полуметаллов, таких как олово или висмут, может смягчить эти мешающие дефекты, пояснил Ньюаз.
«Когда вы используете обычное золото, вы получаете высокое сопротивление, а высокое сопротивление возникает из-за барьера, связанного с дефектами интерфейса, известного как барьер Шоттки… Но когда вы используете полуметалл висмута, вы можете показать, что барьер исчезает», — сказал он. . «Анализируя данные, вы можете показать, что интерфейс с висмутом как бы свободен от барьера Шоттки».
Хотя это само по себе не ново, команда штата Сан-Франциско одной из первых описала оптоэлектронные свойства, такие как измерение оптического преобразования в электрическое, время отклика и масштабируемость, устройства на основе висмута-MoS2.
Исследователи показали, что введение висмута сделало их устройство в 30 000 раз более светочувствительным, чем фотодетекторы только с золотом. Тестируя свой фотоприемник, они увидели, что прибор наиболее чувствителен в УФ-диапазоне и чувствителен в широком диапазоне длин волн (380—1000 нм). Не только улучшилась чувствительность, но и устройство стало более чувствительным при низком уровне мощности.
«Это говорит нам о том, что вы можете сделать чрезвычайно чувствительный фотодетектор, используя полупроводник толщиной в один атом», — сказал Ньюаз. «У вас будет лучший результат, если вы используете висмут, чем обычное золото или другие благородные металлы».
Еще одним важным открытием, добавил он, было то, что их устройство быстрое. Он работает на частоте около 10 кГц, что в 10-100 раз быстрее, чем у других устройств.
«Используя полуметалл, промышленность уже думает о переходе к чрезвычайно малым размерам [с устройствами] и планирует использовать MoS2 и висмут в качестве транзистора», — пояснил Ньюаз. «Мы показываем, что [эти же материалы] могут также работать как очень хороший фотодетектор. Их можно объединить вместе, чтобы какая-то часть могла работать как чрезвычайно чувствительный инструмент связи через свет, а затем передавать сигналы на транзисторную часть».
Ньюаз подозревает, что их устройство на самом деле может быть быстрее, и его скорость может падать в диапазоне мегагерц или гигагерц, что означает, что устройство может быть более чем в тысячу раз быстрее, чем 10 килогерц, которые они экспериментально показали в этой статье. Для более быстрой передачи данных необходимо более быстрое устройство, в котором фотодетектор преобразует быстрый оптический сигнал в быстрый электрический сигнал.
«Мы подали патент на наши полупроводники атомной толщины, — сказал Ньюаз. «Моя лаборатория очень гордится тем, что исследование студента приводит к подаче заявки на патент и публикации в журнале высшего уровня».
Ньюаз в восторге от этой работы, особенно потому, что она демонстрирует уровень исследований, проведенных студентами штата Сан-Франциско, отметив, что ведущий автор был студентом-магистром в своей лаборатории. «Эта публикация является качественной работой аспиранта, и она была сделана студентом магистратуры в Сан-Франциско», — добавил он.
