Traditionella halvledare som Si, GaAs och HgCdTe verkar oförmögna att möta utvecklingstrenden för elektroniska enheter som har extremt liten volym, lätt vikt och låg strömförbrukning. Dessa begränsningar hos traditionella halvledare härrör huvudsakligen från komplexa tillväxtförhållanden och arbetsmiljöer med låga temperaturer.
Under de senaste åren har nya 2-dimensionella (2D) material gett anständiga möjligheter att utveckla rumstemperatur-, höghastighets-, ultrakänsliga och bredbandsfotodetektorer på grund av deras unika strukturer och utmärkta fysiska egenskaper. Emellertid har atomtjockleken hos 2D-material oundvikligen orsakat problemet med låg ljusabsorption.
En lovande lösning är kombinationen av plasmoniska nanomaterial med 2D-material för förbättrad ljus-materia-interaktion, som redan har blivit ett forskningsfokus. Exciteringen av ytplasmoner i ädelmetaller möjliggör lokalt förstärkta elektromagnetiska fält som kan förbättra ljusabsorptionen i närliggande halvledare i storleksordningar. Dessutom genererar sönderfallet av ytplasmoner effektivt heta bärare med hög energi.
De heta bärarna som injiceras i 2D-material ökar inte bara fotoströmmen som samlas upp av elektroder utan utökar också de detekterbara våglängderna bortom halvledarbandsgapet.
För att förstå dessa hybridstrukturer och mekanismer är en systematisk översikt nödvändig för att extrahera och sammanfatta designstrategierna för plasmonförstärkta 2D-materialfotodetektorer, vilket kan ge omfattande vägledning för att klargöra fördelarna och nackdelarna med varje strategi och därigenom optimera plasmonassisterade fotodetektion i framtida arbete.
En forskargrupp från Southeast University gav en detaljerad översikt av plasmonförstärkta 2D-materialfotodetektorer, främst med fokus på klargörandet av olika hybridiseringslägen mellan plasmoniska nanostrukturer och 2D-material. Mekanismerna för plasmonförstärkt fotodetektion introducerades i det första avsnittet.
Sedan diskuterade de olika strukturrelaterade kopplingslägen för hybridsystemen, som grovt klassificeras i LSPR-styrt läge, SPP-styrt läge respektive andra hybridfotoniska lägen. Slutligen beskrev de kortfattat de problem som återstår att ta itu med och potentiella riktningar i framtida forskningsarbete.
I denna översyn sammanfattas de nuvarande designstrategierna som antas för aktualisering av plasmonisk förbättring i 2D-materialfotodetektorer. Plasmoniska nanostrukturer används i stor utsträckning baserat på LSPR-inducerade plasmoniska effekter, antingen i form av enskiktiga plasmoniska nanostrukturer som fungerar i olika lägen (såsom direktkontakt, separerat eller inbäddat läge) eller kavitetskopplade plasmoniska resonatorer som stöder gap-mode plasmonic resonans.
Nyckelfaktorer som kan påverka ljus-materia-interaktion och bärartransportegenskaper i hybridfotodetektorerna diskuteras, inklusive material, former, arrangemang och placeringar av plasmoniska nanostrukturer.
Dessutom stödjer mönstrade plasmoniska strukturer som ränder, nanogaps och gitter de fortplantande SPP-vågorna som är begränsade till metallytans närfält, vilket underlättar den förbättrade energikopplingen mellan metall och 2D-material inom ett långt utbredningsavstånd.
När SPP-baserade metallelektroder används kan ljusenergi långt från 2D-materialkanalen effektivt samlas in och absorberas. Dessutom introduceras synergismen mellan andra funktionella fotoniska strukturer/material och plasmonförstärkta 2D-materialfotodetektorer, vilket resulterar i förbättrad prestanda och nya funktionaliteter.
Plasmonassisterade 2D-materialfotodetektorer förbättrade med ovanstående strategier har stor potential för att öka anmärkningsvärda framsteg inom breda applikationsområden.
Flera potentiella forskningsriktningar som kan vara fördelaktiga för den framtida utvecklingen av plasmonförstärkta 2D-materialfotodetektorer föreslås.
För det första finns det fortfarande många aspekter värda att utforska om de plasmoniska strukturerna. Trots det faktum att forskare redan har studerat inverkan av strukturella parametrar (morfologi, densitetsfördelning, etc.) på prestandan hos 2D-materialfotodetektorer, har interna faktorer som kristallkvalitet ännu inte utforskats fullt ut.
För det andra har ovanstående strategier rapporterat om olika arbetsmekanismer som domineras av de integrerade plasmoniska materialen, medan matchade fysiska modeller och tillämpliga villkor för dessa plasmoniska effekter inte har klargjorts helt, vilket är nödvändigt för att utöka dessa fascinerande koncept från laboratorieforskning till kommersiella enheter.
För det tredje har gränssnittstekniken mellan metall och 2D-material inte utforskats fullt ut i hybridstrukturer av plasmoniska/2D-material.
Verket publiceras i tidskriften Advanced Devices &Instrumentation .
Mer information: Ke-Han Li et al, Design Strategies Toward Plasmon-Enhanced 2-Dimensional Material Photodetectors, Advanced Devices &Instrumentation (2023). DOI:10.34133/adi.0017
Tillhandahålls av Advanced Devices &Instrumentation
