Högpresterande självkörandeinfraröd fotodetektor
infrarödfotodetektorhar egenskaper som stark anti-interferensförmåga, stark måligenkänningsförmåga, drift i alla väder och god döljning. Den spelar en allt viktigare roll inom områden som medicin, militär, rymdteknik och miljöteknik. Bland dem är den självdrivnafotoelektrisk detektionChips som kan fungera oberoende utan extern strömförsörjning har väckt stor uppmärksamhet inom infraröd detektering på grund av dess unika prestanda (såsom energioberoende, hög känslighet och stabilitet, etc.). Däremot kräver traditionella fotoelektriska detekteringschips, såsom kiselbaserade eller smalbandsbaserade halvledarbaserade infraröda chips, inte bara ytterligare förspänningar för att driva separationen av fotogenererade bärvågor för att producera fotoströmmar, utan behöver också ytterligare kylsystem för att minska termiskt brus och förbättra responsen. Därför har det blivit svårt att möta de nya koncepten och kraven från nästa generations infraröda detekteringschips i framtiden, såsom låg strömförbrukning, liten storlek, låg kostnad och hög prestanda.
Nyligen har forskargrupper från Kina och Sverige föreslagit ett nytt självdrivet fotoelektriskt detektionschip med kortvågig infraröd (SWIR) baserad på grafen-nanoband (GNR)-filmer/aluminiumoxid/enkristallkisel med pin heterojunction. Under den kombinerade effekten av den optiska grindeffekten utlöst av det heterogena gränssnittet och det inbyggda elektriska fältet uppvisade chipet ultrahög respons och detektionsprestanda vid noll förspänning. Det fotoelektriska detektionschippet har en svarsfrekvens så hög som 75,3 A/W i självdrivet läge, en detektionsfrekvens på 7,5 × 10¹⁴ Jones och en extern kvantverkningsgrad nära 104 %, vilket förbättrar detektionsprestandan för samma typ av kiselbaserade chips med rekordhöga 7 storleksordningar. Dessutom är chipets svarsfrekvens, detektionsfrekvens och externa kvantverkningsgrad så höga som 843 A/W, 10¹⁵ Jones respektive 105 % under konventionellt drivläge, vilka alla är de högsta värdena som rapporterats i aktuell forskning. Samtidigt visade denna forskning också den verkliga tillämpningen av det fotoelektriska detektionschippet inom optisk kommunikation och infraröd avbildning, vilket belyser dess enorma tillämpningspotential.
För att systematiskt studera fotodetektorns fotoelektriska prestanda baserat på grafen-nanoband /Al₂O₃/ enkristallkisel, testade forskarna dess statiska (ström-spänningskurva) och dynamiska karakteristiska svar (ström-tidskurva). För att systematiskt utvärdera de optiska svarsegenskaperna hos fotodetektorn med grafen-nanoband /Al₂O₃/ monokristallin kisel heterostruktur under olika förspänningar, mätte forskarna enhetens dynamiska strömsvar vid 0 V, -1 V, -3 V och -5 V förspänningar, med en optisk effekttäthet på 8,15 μW/cm². Fotoströmmen ökar med omvänd förspänning och visar en snabb svarshastighet vid alla förspänningar.
Slutligen tillverkade forskarna ett avbildningssystem och lyckades med självdriven avbildning av kortvågigt infrarött. Systemet fungerar utan förspänning och har ingen energiförbrukning alls. Fotodetektorns avbildningsförmåga utvärderades med hjälp av en svart mask med bokstaven "T"-mönster (som visas i figur 1).
Sammanfattningsvis tillverkade denna forskning framgångsrikt självdrivna fotodetektorer baserade på grafen-nanoband och uppnådde en rekordhög svarsfrekvens. Samtidigt demonstrerade forskarna framgångsrikt den optiska kommunikations- och avbildningsförmågan hos dennamycket responsiv fotodetektorDenna forskningsprestation ger inte bara ett praktiskt tillvägagångssätt för utveckling av grafen-nanoband och kiselbaserade optoelektroniska komponenter, utan demonstrerar också deras utmärkta prestanda som självförsörjande kortvågiga infraröda fotodetektorer.
Publiceringstid: 28 april 2025