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(Proyector de Nanowerk) La respuesta de cuerpo negro es muy deseable en los fotodetectores infrarrojos bidimensionales (2D), lo que dicta sus aplicaciones prácticas. Los fotodetectores infrarrojos de onda media (MWIR) con respuesta de cuerpo negro de última generación se fabrican con materiales como HgCdTe, InSb e InAsSb. Sin embargo, estos fotodetectores deben operar a temperaturas criogénicas para minimizar la corriente oscura y el ruido generados térmicamente, lo que no solo aumenta el tamaño y el costo general del sistema, sino que también limita su amplia aplicación.
Debido al efecto de confinamiento cuántico y la fuerte interacción luz-materia, los materiales 2D muestran muchas propiedades nuevas en el campo de la detección optoelectrónica. En particular, los materiales 2D sin enlaces colgantes pueden reducir el ruido generado por la recombinación generacional y evitar problemas como el desajuste de la red.
Sin embargo, los fotodetectores 2D todavía sufren problemas como una baja eficiencia cuántica y una gran corriente oscura, limitada por el grosor y los defectos complejos de los materiales 2D. Con la expansión de las longitudes de onda de detección, los problemas anteriores de los fotodetectores infrarrojos 2D se vuelven más serios.
En obra nueva (Materiales avanzados, «Fotodetectores de Van Der Waals heterosándwich autoalineados completamente agotados»), Fang Wang et al. han demostrado fotodetectores de van der Waals (vdW) autoalineados completamente agotados basados en el MoS2-BP-MoS2 estructura heterosándwich. La estructura resolvió la baja eficiencia cuántica y los grandes problemas de corriente oscura de los fotodetectores 2D en el MWIR mediante la manipulación combinada de campo de luz y campo eléctrico.
En términos de manipulación «óptica», los electrodos superior e inferior de la estructura tipo sándwich forman una microcavidad que puede mejorar la resonancia de la luz incidente, mejorando así la eficiencia cuántica del fotodetector. Los resultados de la simulación de absorción óptica muestran que la estructura de microcavidad diseñada realiza efectivamente la sensibilidad a la luz mejorada del fotodetector en la banda del infrarrojo cercano.
En términos de manipulación «eléctrica», la estructura tipo sándwich puede agotar completamente los portadores en la capa absorbente de infrarrojos BP, logrando así una supresión eficaz de la corriente oscura y una separación eficaz de los portadores generados por la luz. Además, la estructura de pila vertical y los electrodos sándwich completamente envueltos acortan en gran medida la distancia de transporte de los portadores fotogenerados después de la separación, lo que reduce efectivamente la pérdida por recombinación de los portadores fotogenerados en la fotodetección de baja dimensión y mejora la eficiencia de recolección de los portadores fotogenerados.
Además, también se introduce un proceso de autoalineación en la estructura, que casi elimina el modo de transporte horizontal de los portadores fotogenerados en el fotodetector 2D. Al mismo tiempo, la distancia de transmisión longitudinal en el campo eléctrico incorporado se reduce por completo en varias decenas de nanómetros, lo que permite que el fotodetector logre una velocidad de respuesta rápida.
Finalmente, en base a las estrategias de manipulación «óptica» y «eléctrica» combinadas, el fotodetector logró una calificación de ruido extremadamente baja de 10-25 A2 hercios-1una sensibilidad máxima de cuerpo negro de 0,77 AW−1y una detectividad específica máxima de cuerpo negro de 8,61 × 1010 cmHz1/ 2w−1 a temperatura ambiente.
Este fotodetector logra el espectro de respuesta de cuerpo negro más amplio de cualquier fotodetector infrarrojo 2D informado hasta la fecha.
Además, los fotodetectores 2D descritos anteriormente solo pueden mostrar una respuesta rápida en la banda visible o infrarroja. Basado en las ventajas eléctricas únicas de la estructura autoalineada completamente agotada, el fotodetector logra una rápida velocidad de respuesta de 4 µs tanto en el visible como en el infrarrojo.
Los resultados de esta investigación amplían enormemente las perspectivas de aplicación de los fotodetectores infrarrojos 2D en la detección de alta sensibilidad de señales débiles a temperatura ambiente.
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