Den tyndeste fotodetektor i verden

Center for Integreret Nanostrukturfysik, inden for Institute for Basic Science (IBS) har udviklet verdens tyndeste fotodetektor, det er en enhed, der omdanner lys til en elektrisk strøm. Med en tykkelse på kun 1,3 nanometer - 10 gange mindre end de nuværende standard siliciumdioder - kan denne enhed bruges på tingenes internet, smarte enheder, bærbar elektronik og fotoelektronik. Denne 2D-teknologi, udgivet den Naturkommunikation , bruger molybdændisulfid (MoS2) indlejret i grafen.

Grafen er et fantastisk materiale:det er ledende, tynd (kun et atom tyk), gennemsigtig og fleksibel. Imidlertid, da den ikke opfører sig som en halvleder, dens anvendelse i elektronikindustrien er begrænset. Derfor, for at øge grafens anvendelighed, IBS-forskere lagde et lag af 2D-halvlederen MoS2 mellem to grafenplader og lagde det over en siliciumbase. De troede oprindeligt, at den resulterende enhed var for tynd til at generere en elektrisk strøm, men uventet, det gjorde. "En enhed med et-lags MoS2 er for tynd til at generere et konventionelt p-n-kryds, hvor positive (p) ladninger og negative (n) ladninger adskilles og kan skabe et indre elektrisk felt. Imidlertid, når vi skinner lys på det, vi observerede høj fotostrøm. Det var overraskende! Da det ikke kan være et klassisk p-n-kryds, vi overvejede at undersøge det nærmere, "forklarer YU Woo Jong, første forfatter til denne undersøgelse.

For at forstå, hvad de fandt, forskerne sammenlignede enheder med et og syv lag af MoS2 og testede, hvor godt de opfører sig som fotodetektor, det er, hvordan de er i stand til at omdanne lys til en elektrisk strøm. De fandt ud af, at enheden med et-lags MoS2 absorberer mindre lys end enheden med syv lag, men det har højere fotoresponsivitet. "Sædvanligvis er fotostrømmen proportional med fotoabsorbansen, det er, hvis enheden absorberer mere lys, det burde generere mere elektricitet, men i dette tilfælde, selvom en-lags MoS2-enheden har mindre absorbans end den syv-lags MoS2, den producerer syv gange mere fotostrøm, " beskriver Yu.

Monolaget er tyndere og derfor mere følsomt for det omgivende miljø:Det nederste SiO2 -lag øger energibarrieren, mens luften på toppen reducerer det, således har elektroner i monolagsenheden større sandsynlighed for at tunnelere fra MoS2-laget til det øverste grafen (GrT). Energibarrieren ved GrT/MoS2 krydset er lavere end den ved GrB/MoS2, så de exciterede elektroner overføres fortrinsvis til GrT-laget og skaber en elektrisk strøm. Omvendt i flerlags MoS2-enheden, energibarriererne mellem GrT/MoS2 og GrB/MoS2 er symmetriske, derfor har elektronerne samme sandsynlighed for at gå på begge sider og dermed reducere den genererede strøm.

Forestil dig en gruppe mennesker i en dal omgivet af to bjerge. Gruppen ønsker at komme til den anden side af bjergene, men uden at anstrenge sig for meget. I ét tilfælde (MoS2-enheden med syv lag), begge bjerge har samme højde, så uanset hvilket bjerg der krydses, indsatsen vil være den samme. Derfor krydser halvdelen af ​​gruppen det ene bjerg og den anden halvdel det andet bjerg.

I det andet tilfælde (analogt med et-lags MoS2-enheden), det ene bjerg er højere end det andet, så størstedelen af ​​gruppen beslutter sig for at krydse det mindre bjerg. Imidlertid, fordi vi overvejer kvantefysik i stedet for klassisk elektromagnetisme, de behøver ikke bestige bjerget, før de når toppen (som de ville være nødt til at gøre med klassisk fysik), men de kan passere gennem en tunnel. Selvom elektrontunnel og gå en tunnel i et bjerg naturligvis er meget forskellige, ideen er, at elektrisk strøm genereres af strømmen af ​​elektroner, og den tyndere enhed kan generere mere strøm, fordi flere elektroner strømmer i samme retning.

Rent faktisk, når lys absorberes af enheden, og MoS2-elektroner hopper ind i en ophidset tilstand, de efterlader de såkaldte huller. Huller opfører sig som positive mobilladninger og er i det væsentlige positioner, der efterlades tomme af elektroner, der absorberede nok energi til at hoppe til en højere energistatus. Et andet problem ved den tykkere enhed er, at elektroner og huller bevæger sig for langsomt gennem krydsene mellem grafen og MoS2, fører til deres uønskede rekombination inden for MoS2-laget.

Af disse grunde, op til 65% af fotoner absorberet af den tyndere enhed bruges til at generere en strøm. I stedet, den samme måling (kvanteeffektivitet) er kun 7% for syv-lags MoS2-apparatet.

"Denne enhed er gennemsigtig, fleksibel og kræver mindre strøm end de nuværende 3D silicium halvledere. Hvis fremtidig forskning lykkes, det vil fremskynde udviklingen af ​​2D fotoelektriske enheder, " forklarer professoren.