Wissenschaftler entwickeln sichtbare Infrarot-Fotodetektoren mit schwarzem Arsen

In den letzten Jahren haben die außergewöhnliche Struktur und die faszinierenden elektrischen und optischen Eigenschaften zweidimensionaler (2D) Schichtkristalle große Aufmerksamkeit erregt. Beispiele für solche Kristalle sind Graphen, schwarzer Phosphor (BP) und Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs).

Aufgrund ihrer atomaren Dicke, hohen Ladungsträgermobilität und einstellbaren Bandlücken sind diese Materialien für verschiedene Anwendungen äußerst vielversprechend und erregen weiterhin großes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Graphen, eine kristalline Struktur aus dicht gepackten Kohlenstoffatomen, die durch sp2-Hybridisierung verbunden sind und ein einschichtiges zweidimensionales Wabengitter bilden, weist eine Elektronenmobilität von bis zu 2×105 cm2·V−1·s−1 auf.

Allerdings behindern die kurzlebigen, fotogenerierten Träger von Graphen, die auf die Null-Bandlücke und die extrem geringe Lichtabsorption (2,3 %) zurückzuführen sind, seine Geräteanwendungen. Übergangsmetalldichalkogenide zeichnen sich durch große Bandlücken und eine relativ geringere Trägermobilität (<200 cm2·V−1·s−1) aus, was sie für Anwendungen im Bereich der optoelektronischen Detektion ungeeignet macht.

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften erweist sich schwarzer Phosphor als vielversprechendes Material für Infrarotdetektoren. Bemerkenswert ist, dass es eine direkte Bandlücke im Bereich von 0,34 eV in der Masse bis 2,1 eV in Monoschichtform aufweist. Basierend auf früheren Studien besitzt schwarzer Phosphor darüber hinaus eine hohe Trägermobilität von etwa 1.000 cm2·V−1·s−1 und ein großes An/Aus-Verhältnis von 105. Diese Eigenschaften erhöhen das Potenzial von schwarzem Phosphor als bevorzugtes Material für Infrarot-Detektionsanwendungen.

Leider weist schwarzer Phosphor eine geringe Stabilität auf und wird in der Atmosphäre bei Raumtemperatur schnell abgebaut, was seine praktischen Anwendungen einschränkt. Schwarzes Arsen (B-As) hat als Homolog von Phosphor eine ähnliche Kristallstruktur wie BP und soll eine hervorragende elektrische und optische Leistung sowie eine hohe Trägermobilität (bis zu 103 cm2·V−1·s−1) aufweisen ).

Wie frühere Untersuchungen gezeigt haben, hängt die Bandlücke von B-As stark von der Materialdicke ab. Insbesondere liegt die indirekte Bandlücke von einschichtigem B-As im Bereich von etwa 1–1,5 eV, während Bulk-B-As ein Halbleiter mit direkter Bandlücke und einer Bandlücke von etwa 0,3 eV ist.

Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Berücksichtigung der Schichtdicke bei der Untersuchung der elektronischen und optischen Eigenschaften von B-As und demonstrieren das Potenzial dieses Materials für verschiedene Anwendungen.

Jetzt hat eine Forschungsgruppe einen Dualband-Fotodetektor auf Basis von schwarzem Phosphor für sichtbare und infrarote Wellenlängen entwickelt. Bei Raumtemperatur stellte das Team anhand der Übertragungseigenschaften und Spannungs-Strom-Eigenschaften des Geräts fest, dass es sich bei dem vorbereiteten Gerät um einen Verarmungsmodus-FET vom n-Typ handelt und einen guten ohmschen Kontakt aufweist.

Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Erweiterte Geräte und Instrumentierung.

Wenn die Energie einfallender Laserphotonen größer ist als die Bandlücke mehrerer B-As-Schichten (hv > Eg), können fotoangeregte Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Wenn sich das B-As-Gerät im Vorspannungsmodus befindet, trennt das angelegte elektrische Feld effektiv die fotogenerierten Elektron-Loch-Paare an der Grenzfläche und injiziert sie in die Elektrode, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird. Die Forschungsergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass der photoleitende Effekt der Hauptmechanismus der Lichtreaktion des B-As-Geräts im sichtbaren Licht- und Infrarotbereich ist.

Während des Experiments stellten sie ein schwaches Signal bei einer Vorspannung von Null fest, was ihrer Analyse zufolge auf die ungleichmäßige Beleuchtung des Laserpunkts auf dem Kanal zurückzuführen war, der den photothermischen Strom einleitete. Dies kann auch auf den Dember-Effekt zurückgeführt werden, der durch die unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten von Elektronen und Löchern verursacht wird und zum eingebauten elektrischen Feld führt.

Die Forscher lieferten die intuitivste und effektivste Möglichkeit, die Region anzuzeigen, in der Photostrom erzeugt wird, indem sie Photostromkarten scannten, um ihre Erklärung zu validieren. Das Gerät sendet bei einer Vorspannung von 0 V ein schwaches Photostromsignal aus, was die vorherige Erklärung bestätigt. Eine Erhöhung der Vorspannung um 0,01 V an derselben Position des Kanals zeigt eine deutliche Erweiterung des lichtempfindlichen Bereichs.

In dieser Studie wurde erfolgreich ein B-As-Fotodetektor entwickelt, der bei Raumtemperatur schnell reagieren kann und außergewöhnliche Dualband-Lichtreaktionseigenschaften aufweist. Der Detektor zeigte eine maximale Photoempfindlichkeit von 387,3 mA·W−1 bei einer Wellenlänge im nahen Infrarot von 825 nm, ohne dass eine externe Vorspannung erforderlich war, und erreichte eine hohe Detektivität von 1,37×108 Jones.

Der Reaktionsmechanismus im gesamten sichtbaren bis infraroten Spektrum wird hauptsächlich auf den photoleitenden Effekt zurückgeführt. Diese Ergebnisse bestätigen nicht nur die überlegene photoelektrische Leistung von B-As als Halbleiter mit schmaler Bandlücke, sondern zeigen auch, dass seine Leistung mit der von schwarzem Phosphor (BP) vergleichbar ist, was auf ein erhebliches Potenzial für die Anwendung in optoelektronischen Hochgeschwindigkeitsgeräten hinweist. Am wichtigsten ist, dass die in dieser Forschung demonstrierten Dualband-Detektionsfähigkeiten eine solide Grundlage für die zukünftige Entwicklung von Breitband-Photodetektionstechnologien bei Raumtemperatur bilden.