Ultrahurtige fotodetektorer tillader direkte observation af flere elektroner genereret af en enkelt foton

En af de store fordele ved de små halvlederstykker kendt som kvanteprikker er, at de kan trække flere elektroner ud fra en enkelt foton, en funktion kaldet "bærermultiplikation, ", hvilket kan føre til billige og højeffektive solceller og nye typer foto- og strålingsdetektorer.

Detektering og kvantificering af denne multiplikationsproces i arbejdende enheder har vist sig at være udfordrende, imidlertid, som bemærket af Victor Klimov, direktør for Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) ved Los Alamos National Laboratory. "Det centrale fremskridt er en nyudviklet kapacitet, som gør det muligt for os at følge skæbnen for fotogenererede elektroner på ultrahurtige tidsskalaer direkte i fotokurrantmålingerne. Forskning i vores team og andre steder havde tidligere fokuseret på at bruge optisk spektroskopi til at detektere bærermultiplikation og kvantificere dens effektivitet, " han sagde.

"Det er forblevet uklart, om effektiviteten observeret i spektroskopiske målinger kan reproduceres i en fotostrøm af virkelige enheder. Vores nye undersøgelse giver os mulighed for at løse dette vigtige spørgsmål."

Den nye teknik involverer overvågning af fotostrømtransienter i specielt konstruerede fotodetektorer, der giver en meget høj tidsmæssig opløsning på kun 50 picosekunder.

Jianbo Gao, den postdoktorelle forsker, der arbejder på dette projekt og medforfatter til et nyt Nature Communications-papir, sagde, "Målingerne er blevet mulige ved hjælp af nyudviklede fotodetektorer, der inkorporerer kvanteprikker som en del af enheden, og som fungerer som dens aktive fotoledende lag. Ved hjælp af et passende fotodetektordesign i kombination med ultrahurtig elektronik, vi har været i stand til at løse meget korte fotostrømspidser på grund af multiexcitoner produceret i en bærer multiplikationsproces."

sagde Andrew Fidler, en Los Alamos-direktørs postdoc-stipendiat på projektet, "En vigtig vanskelighed med carrier multiplikation er hurtigt at udtrække fotogenererede bærere, før de rekombinerer." I tilfælde af multiexcitoner, denne rekombinationsproces er styret af såkaldt Auger-henfald, som er karakteriseret ved ekstremt korte, picosekunders tidsskalaer. "Ved at bruge vores nye fotodetektorer, vi har vist, at ved at anvende en passende kemisk behandling på kvanteprikkens ydre lag, vi kan udtrække ladninger fra kvantepunktet før deres rekombination. Dette beviser, at bærermultiplikation er en levedygtig tilgang til at forbedre fotostrømmen af ​​virkelige enheder."