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(noticias nanowerk) Los fotodiodos de avalancha (APD) han atraído cada vez más atención en los últimos años y se utilizan en numerosas aplicaciones, especialmente en el campo de las comunicaciones ópticas. La tecnología también es fundamental para los procesos de información cuántica óptica, como la distribución de claves cuánticas, que imponen exigencias estrictas al rendimiento del detector. En respuesta a estas necesidades cambiantes, los autores han trazado los avances y desarrollos recientes en varios tipos de APD, incluidos los compuestos AIIIBV y AIIBVI, así como alternativas emergentes como superredes de «tercera onda» y materiales bidimensionales (2D).
El fenómeno de la multiplicación de avalanchas es crucial para detectar señales ópticas de baja intensidad e incluso fotones individuales. Esta capacidad incluye todos los rangos de longitud de onda principales de la radiación infrarroja: cercana (NIR), corta (SWIR), media (MWIR) y larga (LWIR).
![Hoja de ruta sobre métodos, tecnologías y aplicaciones para tecnologías de detección de fotones de avalanchas, desde materiales a granel hasta materiales de baja dimensión](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63574_1.jpg)
Los sofisticados sistemas de armas y radar láser utilizados en aplicaciones militares y espaciales de largo alcance deben detectar, detectar y rastrear con precisión varios objetivos en diferentes condiciones atmosféricas. Estas condiciones pueden incluir la absorción por gases como CO, CO2y h2O vapor, lo que resulta en una atenuación significativa de la señal óptica. Para compensar esto, se requieren mecanismos de amplificación adicionales, junto con sistemas para una detección precisa de la señal en la etapa del detector.
Los dispositivos basados en APD cuentan con alto ancho de banda (BW) y ganancia (M), o producto de ancho de banda de alta ganancia (GBW), y bajo exceso de ruido. [F(M)]son excelentes para detectar señales ópticas atenuadas. Estas propiedades son particularmente valiosas en aplicaciones como comunicaciones ópticas en el espacio libre (FSO), visión nocturna, detección y alcance de luz (LIDAR/LADAR), tiempo de vuelo (ToF), robótica inteligente y operaciones militares. Un impulsor clave de esta tendencia es la llegada de tecnologías de información cuántica óptica como la distribución de claves cuánticas (QKD), que impone estándares estrictos sobre el rendimiento de los detectores mucho más allá de lo que los APD tradicionales pueden ofrecer.
En consecuencia, mejorar GBW y reducir F(M) se han convertido en objetivos cruciales para el avance de la tecnología APD. Las estrategias para suprimir F(M) se pueden dividir en tres enfoques principales: seleccionar materiales con propiedades de multiplicación favorables, escalar la capa de avalancha para explotar los efectos de multiplicación no locales y explotar la técnica de ionización de impacto (I2E) a través de heterouniones bien diseñadas.
Los miembros de la categoría de la tercera ola, en particular los materiales en capas bidimensionales (2D) y sus heteroestructuras de van der Waals (vdW), también son candidatos para aplicaciones en la multiplicación de avalanchas, incluidas las tecnologías de conteo de fotones individuales. Aunque el número de publicaciones de investigación sobre estos prometedores fotodetectores 2D ha crecido exponencialmente, tienden a exhibir una baja absorción debido a su naturaleza atómica y delgada. Sin embargo, la ionización por impacto ofrece una forma prometedora de fabricar fotodetectores 2D con alta eficiencia de detección.
En comparación con sus homólogos a granel, los materiales 2D ofrecen una serie de propiedades excepcionales, como flexibilidad mecánica, fuerte acoplamiento de materia ligera, superficies autopasivadas y niveles Fermi ajustables por puerta que ofrecen una mayor flexibilidad de diseño. Dependiendo de la dirección en la que se transportan los portadores de carga, estos materiales tienen diferentes coeficientes de ionización por impacto. Además, más allá del efecto de ionización por impacto convencional, también se ha observado un mecanismo de avalancha balística en materiales 2D.
Por tanto, el estudio de materiales innovadores con campos eléctricos críticos bajos para la multiplicación de avalanchas es crucial para el desarrollo de dispositivos eléctricos y fotoeléctricos energéticamente eficientes. Los materiales convencionales tienen limitaciones debido al alto voltaje de accionamiento necesario para la multiplicación de avalanchas, un problema que los APD basados en materiales 2D pueden potencialmente aliviar.
En un artículo reciente en Ciencia de la luz y aplicación («Infrared Avalanche Photodiodes from Bulk to 2D Materials»), un equipo de investigación dirigido por el profesor Piotr Martyniuk del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica Militar de Polonia, junto con coautores del Laboratorio Estatal Clave de Física Infrarroja de The El Instituto de Física Técnica de Shanghai de la Academia de Ciencias de China ha proporcionado una descripción general completa del estado actual y las perspectivas futuras de los APD basados en infrarrojos.
El artículo cubre los sistemas de material a granel HgCdTe y AIIIBV, incluidos los conocidos materiales superred de “tercera onda”. Además, el artículo arroja luz sobre los últimos avances en APD IR de alto rendimiento a través de innovadores materiales 2D de “tercera ola” y describe estrategias para lograr APD de alto rendimiento.
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