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(Noticias de Nanowerk) Los profesores HU Weida y PENG Hailin, dos investigadores del Instituto de Física Técnica de Shanghái y de la Universidad de Pekín, propusieron recientemente heteroestructuras de van der Waals con coincidencia de momentos y alineación de bandas para resolver el bajo QE de los fotodetectores infrarrojos fabricados con materiales 2D.
Los resultados fueron publicados en avances científicos («Heteroestructuras de Van der Waals de coincidencia de momento y alineación de bandas para fotodetección infrarroja de alta eficiencia»).
Los fotodetectores infrarrojos de alta eficiencia cuántica (QE) se pueden utilizar para la detección de luz ultrabaja y la comunicación cuántica. Sin embargo, la QE está limitada en gran medida por la capacidad de absorción y la recombinación de defectos de los absorbentes de infrarrojos, así como por la recolección del portador fotogenerado, lo que impide gravemente la fabricación y el desarrollo posterior de fotodetectores infrarrojos con una QE alta. En consecuencia, siempre se prefieren los semiconductores de banda prohibida directa que tienen una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica.
Sin embargo, las desventajas tecnológicas, como los costosos procesos de crecimiento, las condiciones de trabajo criogénicas y los elementos tóxicos, aún limitan la amplia gama de aplicaciones de los materiales convencionales. Además, sigue siendo un desafío cumplir con los requisitos de coincidencia de redes y alineación de bandas en dispositivos de heterounión basados en materiales a granel convencionales.
Los materiales en capas bidimensionales (2D) ofrecen nuevas oportunidades para la tecnología de detección infrarroja, ya que poseen superficies naturalmente pasivadas y se pueden apilar en heteroestructuras de van der Waals (vdW) sin tener que considerar más la combinación de redes. Sin embargo, los fotodetectores 2D vdW sufren mucho de QE bajo debido a su naturaleza atómicamente delgada. Se ha demostrado que varias estrategias, incluidas las guías de ondas ópticas, los resonadores ópticos y los plasmones de superficie, mejoran la QE en los fotodetectores 2D, pero a expensas del nivel de integración del dispositivo y la sensibilidad espectral estrecha.
Las heteroestructuras vdW que coinciden con el impulso pueden admitir transiciones entre capas que son directas en el espacio k, independientemente de los semiconductores de banda prohibida directa o indirecta, en los que el máximo de la banda de valencia (VBM) de un semiconductor y el mínimo de la banda de conducción (CBM) de otro están centrados en el espacio k en la zona de Brillouin. «Por lo tanto, las heteroestructuras vdW de momento coincidente no solo pueden mejorar la tasa de generación de fotoportadores, sino que potencialmente también pueden extender la sensibilidad espectral», dijo HU.
También puede reducir la recombinación interfacial con dispersión de desajuste de red baja e impurezas libres de defectos. Es importante destacar que, para la fotodetección infrarroja, las alineaciones de banda racionales son muy importantes para lograr un alto QE mediante la optimización de la generación, la supresión de la recombinación y la mejora de la colección de fotoportadores. Es deseable la estructura de alineación de banda Tipo II sin barreras potenciales para electrones y huecos.
La banda de valencia máxima de fósforo negro 2D (BP) y la banda de conducción mínima de 2D Bi2O2Se encuentran en el mismo punto à como se muestra en la Figura 1a. Los portadores de carga en la interfaz pueden estimularse en las bandas de conducción de BP y Bi2O2Se, que mejora mucho la transición y generación de los fotoportadores.
Los electrones y huecos fotogenerados no ven barreras potenciales y pueden ser recolectados eficientemente en tipo II BP/Bi2O2Heterounión Se-vdW que se muestra en la Figura 1b. Finalmente, el QE a temperatura ambiente (84% a 1,3 µm y 76,5% a 2 µm) del BP/Bi2O2Se logró el dispositivo, que es más alto que la mayoría de los dispositivos basados en 2D informados e incluso comparable a los fotodetectores infrarrojos comerciales de última generación con polarización cero, como se muestra en la Figura 1C. Este alto QE es causado por el alto coeficiente de absorción, el transporte de banda de barrera libre y las interfaces indetectables.
Además, la relación de polarización del BP/Bi2O2Se dispositivo a 2 μm es hasta 17 como se muestra en la Figura 1d. Esto también es superior a la mayoría de los fotodetectores basados en materiales polarizados o estructuras soportadas por antenas en el rango infrarrojo de longitud de onda corta.
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