Centrum för integrerad nanostrukturfysik, inom Institute for Basic Science (IBS) har utvecklat världens tunnaste fotodetektor, det är en enhet som omvandlar ljus till en elektrisk ström. Med en tjocklek på bara 1,3 nanometer - 10 gånger mindre än dagens standardkiseldioder - skulle den här enheten kunna användas i Internet of Things, smarta enheter, bärbar elektronik och fotoelektronik. Denna 2D-teknik, publicerad på Naturkommunikation , använder molybdendisulfid (MoS2) inklämt i grafen.

Grafen är ett fantastiskt material:det är ledande, tunn (bara en atoms tjocklek), transparent och flexibel. Dock, eftersom den inte beter sig som en halvledare, dess tillämpning inom elektronikindustrin är begränsad. Därför, för att öka grafens användbarhet, IBS-forskare placerade ett lager av 2D-halvledaren MoS2 mellan två grafenark och lade det över en kiselbas. De trodde först att den resulterande enheten var för tunn för att generera en elektrisk ström men, oväntat, det gjorde. "En enhet med ett lager av MoS2 är för tunn för att generera en konventionell p-n-övergång, där positiva (p) laddningar och negativa (n) laddningar separeras och kan skapa ett internt elektriskt fält. Dock, när vi lyser ljus på det, vi observerade hög fotoström. Det var överraskande! Eftersom det inte kan vara en klassisk p-n-korsning, vi tänkte undersöka det vidare, " förklarar YU Woo Jong, första författare till denna studie.

För att förstå vad de hittade, forskarna jämförde enheter med ett och sju lager av MoS2 och testade hur väl de beter sig som en fotodetektor, det är, hur de kan omvandla ljus till en elektrisk ström. De fann att enheten med MoS2 i ett lager absorberar mindre ljus än enheten med sju lager, men den har högre fotoresponsivitet. "Vanligtvis är fotoströmmen proportionell mot fotoabsorbansen, det är, om enheten absorberar mer ljus, det borde generera mer el, men i det här fallet, även om en-lagers MoS2-enheten har mindre absorbans än sju-lagers MoS2, den producerar sju gånger mer fotoström, " beskriver Yu.

Monoskiktet är tunnare och därför mer känsligt för den omgivande miljön:Det nedre SiO2-skiktet ökar energibarriären, medan luften på toppen minskar den, således har elektroner i monolageranordningen en högre sannolikhet att tunnla från MoS2-lagret till det översta grafenet (GrT). Energibarriären vid GrT/MoS2-korsningen är lägre än den vid GrB/MoS2, så de exciterade elektronerna överförs företrädesvis till GrT-skiktet och skapar en elektrisk ström. Omvänt, i flerskikts MoS2-enheten, energibarriärerna mellan GrT/MoS2 och GrB/MoS2 är symmetriska, därför har elektronerna samma sannolikhet att gå på vardera sidan och därmed minska den genererade strömmen.

Föreställ dig en grupp människor i en dal omgiven av två berg. Gruppen vill ta sig till andra sidan bergen, men utan att anstränga sig för mycket. I ett fall (MoS2-enheten med sju lager), båda bergen har samma höjd så vilket berg som än korsas, ansträngningen kommer att vara densamma. Därför korsar halva gruppen ett berg och den andra halvan det andra berget.

I det andra fallet (analogt med MoS2-enheten med ett lager), det ena berget är högre än det andra, så majoriteten av gruppen bestämmer sig för att korsa det mindre berget. Dock, eftersom vi överväger kvantfysik istället för klassisk elektromagnetism, de behöver inte bestiga berget förrän de når toppen (som de skulle behöva göra med klassisk fysik), men de kan passera genom en tunnel. Även om elektrontunnling och att gå i en tunnel i ett berg är väldigt olika förstås, tanken är att elektrisk ström genereras av flödet av elektroner, och den tunnare enheten kan generera mer ström eftersom fler elektroner strömmar åt samma håll.

Faktiskt, när ljus absorberas av enheten och MoS2-elektroner hoppar in i ett exciterat tillstånd, de lämnar de så kallade hålen efter sig. Hål beter sig som positiva mobilladdningar och är i huvudsak positioner som lämnas tomma av elektroner som absorberade tillräckligt med energi för att hoppa till en högre energistatus. Ett annat problem med den tjockare enheten är att elektroner och hål rör sig för långsamt genom korsningarna mellan grafen och MoS2, vilket leder till deras oönskade rekombination inom MoS2-skiktet.

Av dessa anledningar, upp till 65 % av fotoner som absorberas av den tunnare enheten används för att generera en ström. Istället, samma mått (kvanteffektivitet) är endast 7% för sju-lagers MoS2-apparaten.

"Denna enhet är transparent, flexibel och kräver mindre ström än nuvarande 3D-kiselhalvledare. Om framtida forskning är framgångsrik, det kommer att påskynda utvecklingen av 2D-fotoelektriska enheter, " förklarar professorn.