Under de senaste åren har den exceptionella strukturen och fascinerande elektriska och optiska egenskaperna hos tvådimensionella (2D) skiktade kristaller väckt stor uppmärksamhet. Exempel på sådana kristaller inkluderar grafen, svart fosfor (BP) och övergångsmetalldikalkogenider (TMD).
Med sin atomtjocklek, höga bärarrörlighet och avstämbara bandgap har dessa material ett enormt löfte i olika tillämpningar och fortsätter att väcka stort intresse i det vetenskapliga samfundet. Grafen, en kristallin struktur av tätt packade kolatomer förbundna med sp 2 hybridisering som bildar ett enskiktigt tvådimensionellt bikakegitter, har en elektronrörlighet så hög som 2×10 5 cm 2 ·V −1 ·s −1 .
Emellertid hindrar grafenens kortlivade fotogenererade bärare som tillskrivs dess noll bandgap och extremt låga ljusabsorption (2,3 %) dess enhetstillämpningar. Dikalkogenider av övergångsmetall har breda bandgap och relativt lägre bärarrörlighet (<200 cm 2 ·V −1 ·s −1 ), vilket gör dem olämpliga för tillämpningar inom området optoelektronisk detektering.
På grund av dess unika egenskaper framstår svart fosfor som ett mycket lovande material för infraröda detektorer. Noterbart uppvisar den ett direkt bandgap som sträcker sig från 0,34 eV i bulk till 2,1 eV i monolagerform. Baserat på tidigare studier har svart fosfor dessutom en hög bärarrörlighet på cirka 1 000 cm 2 ·V −1 ·s −1 och ett stort på/av-förhållande på 105. Dessa attribut ökar ytterligare potentialen för svart fosfor som det föredragna materialet för tillämpningar för infraröd detektion.
Tyvärr lider svart fosfor av dålig stabilitet och bryts ned snabbt i atmosfären vid rumstemperatur, vilket begränsar dess praktiska tillämpningar. Svart arsenik (B-As), som en homolog av fosfor, delar en liknande kristallstruktur med BP och förväntas uppvisa utmärkta elektriska och optiska prestanda, med förväntad hög bärarmobilitet (upp till 10 3 cm 2 ·V −1 ·s −1 ).
Som tidigare forskning har visat är bandgapet för B-As mycket beroende av materialtjockleken. Specifikt sträcker sig det indirekta bandgapet för enkelskikts B-As från cirka 1-1,5 eV, medan bulk B-As är en direkt bandgap-halvledare med ett bandgap på cirka 0,3 eV.
Dessa fynd understryker vikten av att överväga skikttjockleken för att studera de elektroniska och optiska egenskaperna hos B-As, vilket visar potentialen hos detta material i olika tillämpningar.
Nu har en forskargrupp designat en dubbelbandsfotodetektor baserad på svart fosfor för synliga och infraröda våglängder. Vid rumstemperatur upptäckte teamet genom enhetens överföringsegenskaper och spänningsströmegenskaper att den förberedda enheten är en n-typ utarmningsmode FET och uppvisar god ohmsk kontakt.
Forskningen är publicerad i tidskriften Advanced Devices &Instrumentation .
När energin hos infallande laserfotoner är större än bandgapet för flera lager av B-As (hv> Eg), kan fotoexciterade elektron-hålpar genereras. När B-As-anordningen är i förspänningsläge, separerar det applicerade elektriska fältet effektivt de fotogenererade elektron-hålparen vid gränssnittet och injicerar dem i elektroden, och genererar därigenom en fotoström. Teamets forskningsresultat indikerar att den fotokonduktiva effekten är den huvudsakliga ljusresponsmekanismen för B-As-enheten i det synliga ljuset och infraröda banden.
Under experimentet hittade de en svag signal vid noll förspänning, som de analyserade bero på den ojämna belysningen av laserfläcken på kanalen som introducerade fototermisk ström. Detta kan också tillskrivas Dember-effekten som orsakas av de olika diffusionskoefficienterna för elektroner och hål, vilket leder till det inbyggda elektriska fältet.
Forskare gav det mest intuitiva och effektiva sättet att visa regionen där fotoström genereras genom att skanna fotoströmkartor, som används för att validera deras förklaring. En svag fotoströmsignal sänds ut från enheten vid 0 V förspänning, vilket bekräftar deras tidigare förklaring. Att öka förspänningen med 0,01V vid samma position av kanalen avslöjar en betydande expansion av det ljuskänsliga området.
Denna studie har framgångsrikt utvecklat en B-As fotodetektor som kan ge snabb respons vid rumstemperatur, vilket visar exceptionella dual-band ljusresponsegenskaper. Detektorn uppvisade en maximal fotoresponsivitet på 387,3 mA·W −1 vid en nära-infraröd våglängd på 825 nm utan behov av extern förspänning, och uppnådde en hög detektivitet på 1,37×10 8 Jones.
Svarsmekanismen över det synliga till infraröda spektrumet tillskrivs i första hand den fotokonduktiva effekten. Dessa resultat bekräftar inte bara den överlägsna fotoelektriska prestandan hos B-As som en halvledare med smalt bandgap utan visar också upp dess prestanda som är jämförbar med den för svart fosfor (BP), vilket indikerar betydande potential för tillämpning i höghastighets optoelektroniska enheter. Viktigast av allt, de dubbelbandsdetekteringsförmåga som visats i denna forskning lägger en solid grund för den framtida utvecklingen av bredbandsteknik för fotodetektion i rumstemperatur.
Mer information: Xuyang Lv et al, svart-arsenikbaserad synlig-nära-infraröd fotodetektor, Avancerade enheter och instrumentering (2023). DOI:10.34133/adi.0012
Tillhandahålls av Advanced Devices &Instrumentation
