Designstrategier mod plasmonforstærkede 2D-materiale fotodetektorer

Traditionelle halvledere som Si, GaAs og HgCdTe ser ud til at være ude af stand til at imødekomme udviklingstendensen for elektroniske enheder, der har ultra-lille volumen, letvægt og lavt strømforbrug. Disse begrænsninger for traditionelle halvledere stammer hovedsageligt fra komplekse vækstbetingelser og arbejdsmiljøer med lav temperatur.

I de senere år har nye 2-dimensionelle (2D) materialer givet anstændige muligheder for at udvikle rumtemperatur-, højhastigheds-, ultra-følsomme og bredbåndsfotodetektorer på grund af deres unikke strukturer og fremragende fysiske egenskaber. Imidlertid har atomtykkelsen af ​​2D-materialer uundgåeligt medført problemet med lav lysabsorption.

En lovende løsning er kombinationen af ​​plasmoniske nanomaterialer med 2D-materialer til forbedret lys-stof-interaktion, som allerede er blevet et forskningsfokus. Excitationen af ​​overfladeplasmoner i ædelmetaller muliggør lokalt forstærkede elektromagnetiske felter, der kan forbedre lysabsorptionen i nærliggende halvledere i størrelsesordener. Derudover genererer henfaldet af overfladeplasmoner effektivt varme bærere med høj energi.

De varme bærere, der injiceres i 2D-materialer, øger ikke kun fotostrømmen, der opsamles af elektroder, men udvider også de detekterbare bølgelængder ud over halvlederbåndsafstanden.

For at forstå disse hybride strukturer og mekanismer er et systematisk overblik nødvendigt for at udtrække og opsummere designstrategierne for plasmonforstærkede 2D materiale fotodetektorer, som kan give omfattende vejledning til at afklare fordele og ulemper ved hver strategi og derved optimere plasmonassisteret fotodetektion i fremtidigt arbejde.

En forskergruppe fra Southeast University gav et detaljeret overblik over plasmonforstærkede 2D materiale fotodetektorer, hovedsageligt med fokus på afklaring af forskellige hybridiseringstilstande mellem plasmoniske nanostrukturer og 2D materialer. Mekanismerne for plasmonforstærket fotodetektion blev introduceret i det første afsnit.

Derefter diskuterede de forskellige strukturrelaterede koblingstilstande af hybridsystemerne, som groft er klassificeret i henholdsvis LSPR-guidet mode, SPP-guided mode og andre hybride fotoniske modes. Til sidst skitserede de kort de problemer, der stadig skal løses, og potentielle retninger i fremtidigt forskningsarbejde.

I denne gennemgang er de nuværende designstrategier, der er vedtaget til aktualisering af plasmonisk forbedring i 2D materiale fotodetektorer, opsummeret. Plasmoniske nanostrukturer er meget udbredt baseret på LSPR-inducerede plasmoniske effekter, enten i form af enkeltlags plasmoniske nanostrukturer, der fungerer i forskellige tilstande (såsom direkte kontakt, adskilt eller indlejret tilstand) eller hulrumskoblede plasmoniske resonatorer, der understøtter gap-mode plasmonisk resonans.

Nøglefaktorer, der kan påvirke lys-stof-interaktion og bærertransportegenskaber i hybridfotodetektorerne, diskuteres, herunder materialer, former, arrangementer og placeringer af plasmoniske nanostrukturer.

Derudover understøtter mønstrede plasmoniske strukturer såsom striber, nanogaps og gitter de udbredende SPP-bølger, der er begrænset til nærfeltet af metaloverfladen, hvilket letter den forbedrede energikobling mellem metal og 2D-materialer inden for en lang udbredelsesafstand.

Når der anvendes SPP-baserede metalelektroder, kan lysenergi langt fra 2D-materialekanalen effektivt opsamles og absorberes. Desuden introduceres synergien af ​​andre funktionelle fotoniske strukturer/materialer og plasmonforstærkede 2D materiale fotodetektorer, hvilket resulterer i forbedret ydeevne og nye funktionaliteter.

Plasmon-assisteret 2D materiale fotodetektorer forbedret af ovenstående strategier rummer et stort potentiale for at øge bemærkelsesværdige fremskridt inden for brede anvendelsesområder.

Adskillige potentielle forskningsretninger, der kan være gavnlige for den fremtidige udvikling af plasmonforstærkede 2D materiale fotodetektorer, foreslås.

For det første er der stadig mange aspekter værd at udforske om de plasmoniske strukturer. På trods af det faktum, at forskere allerede har undersøgt indflydelsen af ​​strukturelle parametre (morfologi, tæthedsfordeling osv.) på ydeevnen af ​​2D-materiale fotodetektorer, er interne faktorer såsom krystalkvalitet ikke blevet fuldt ud undersøgt endnu.

For det andet har ovenstående strategier rapporteret om forskellige arbejdsmekanismer domineret af de integrerede plasmoniske materialer, mens matchede fysiske modeller og anvendelige betingelser for disse plasmoniske effekter ikke er blevet fuldstændig afklaret, hvilket er nødvendigt for at udvide disse fascinerende koncepter fra laboratorieforskning til kommercielle enheder.

For det tredje er grænsefladekonstruktionen mellem metal og 2D-materiale ikke blevet fuldt ud undersøgt i plasmoniske/2D-materiale-hybridstrukturer.

Værket er publiceret i tidsskriftet Advanced Devices &Instrumentation .

Flere oplysninger: Ke-Han Li et al., Design Strategies Toward Plasmon-Enhanced 2-Dimensional Material Photodetectors, Avancerede Devices &Instrumentation (2023). DOI:10.34133/adi.0017

Leveret af Advanced Devices &Instrumentation