Professorerna Hu Weida och Peng Hailin, två av forskarna vid Shanghai Institute of Technical Physics och Peking University, föreslog nyligen momentummatchning och bandjustering van der Waals heterostrukturer för att lösa den låga QE hos 2D-material infraröda fotodetektorer. Resultaten publicerades i Science Advances , med titeln "Momentummatchning och bandjustering van der Waals heterostrukturer för högeffektiv infraröd fotodetektion."

Infraröda fotodetektorer med hög kvanteffektivitet (QE) kan användas för ultrasvag ljusdetektion och kvantkommunikation. QE begränsas dock till stor del av absorptionsförmåga och defektrekombination av infraröda absorbatorer samt insamling av den fotogenererade bäraren, vilket allvarligt försvårar tillverkningen och vidareutvecklingen av infraröda fotodetektorer med hög QE. Som ett resultat är direktbandgap-halvledare med hög fotoelektrisk omvandlingseffektivitet alltid att föredra. Tekniska nackdelar såsom dyra tillväxtprocesser, kryogena arbetsförhållanden och giftiga element begränsar dock fortfarande det växande applikationsutrymmet för konventionella material. Dessutom är det fortfarande utmanande att uppfylla kraven för både gittermatchning och bandinriktning i heteroövergångsbyggblock baserade på konventionella bulkmaterial.

Tvådimensionella (2D) skiktade material ger nya möjligheter för infraröd detekteringsteknik eftersom de har naturligt passiverade ytor och kan staplas i van der Waals (vdW) heterostrukturer utan ytterligare hänsyn till gittermatchning. Men 2D vdW fotodetektorer lider allvarligt av låg QE på grund av deras atomärt tunna natur. Flera strategier, inklusive optiska vågledare, optiska resonatorer och ytplasmoner, har visat sig förbättra QE i 2D-fotodetektorer men på bekostnad av enhetsintegrationsnivå och smal spektral respons.

De momentummatchande vdW-heterostrukturerna kan stödja mellanskiktsövergångar som är direkta i k-utrymme oberoende av direkta eller indirekta bandgap-halvledare, där valensbandmaximum (VBM) för en halvledare och konduktivitetsbandminimum (CBM) för en annan är centrerad vid k-utrymmet i Brillouin-zonen. "Därför kan de momentummatchande vdW-heterostrukturerna inte bara förbättra genereringshastigheten för fotobärare utan också potentiellt bredda spektralresponsen", sa Hu.

Det kan också minska gränssnittsrekombinationen med låg spridning som inte matchar gallret och defektfria föroreningar. Viktigt, för infraröd fotodetektion, är rationella bandinriktningar mycket betydelsefulla för att uppnå en hög QE genom att optimera genereringen, undertrycka rekombinationen och förbättra insamlingen av fotobärare. Bandinriktningsstrukturen av typ II utan potentialbarriärer för elektroner och hål är önskvärd.

Valensbandets maximum för 2D svart fosfor (BP) och ledningsbandets minimum för 2D Bi₂ O₂ Se är placerade vid samma Г-punkt, som visas i figur 1a. Bärarna vid gränssnittet kan stimuleras in i ledningsbanden för BP och Bi₂ O₂ Se, vilket avsevärt förbättrar övergången och genereringen av fotobärarna. De fotogenererade elektronerna och hålen ser inga potentiella barriärer och kan samlas in effektivt i typ II BP/Bi₂ O₂ Se vdW heterojunction, visad i figur 1b. I slutändan blir rumstemperaturen QE (84 % vid 1,3 μm och 76,5 % vid 2 μm) av BP/Bi₂ O₂ Dessa enheter uppnåddes, vilket är högre än de flesta rapporterade 2D-baserade enheter och till och med jämförbara med kommersiellt toppmoderna infraröda fotodetektorer vid noll förspänning som visas i figur 1C. Denna höga QE orsakas av den höga absorptionskoefficienten, fria barriärbandtransporter och detekteringsfria gränssnitt. Dessutom polarisationsförhållandet för BP/Bi₂ O₂ Se enhet vid 2 μm är upp till 17, som visas i figur 1d. Detta är också överlägset de flesta fotodetektorer baserade på polariserade material eller antennstödda strukturer i det kortvågiga infraröda området. + Utforska vidare

Forskare skapar unipolära barriärfotodetektorer baserade på 2D-lagermaterial