โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์สองมิติแบบไบโพลาร์

สองมิติแบบไบโพลาร์เครื่องตรวจจับแสงถล่ม

โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์สองมิติแบบไบโพลาร์ (โฟโตดีเทคเตอร์ APD) สามารถตรวจจับสัญญาณรบกวนต่ำมากและความไวสูงได้

การตรวจจับโฟตอนจำนวนน้อยหรือแม้แต่โฟตอนเดี่ยวด้วยความไวสูง มีโอกาสในการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในด้านต่างๆ เช่น การถ่ายภาพในที่แสงน้อย การสำรวจระยะไกลและการวัดระยะทาง และการสื่อสารควอนตัม ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ (APD) ได้กลายเป็นทิศทางสำคัญในการวิจัยอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก เนื่องจากคุณลักษณะของขนาดเล็ก ประสิทธิภาพสูง และการรวมเข้ากับระบบได้ง่าย อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของโฟโตดีเทคเตอร์ APD ซึ่งต้องการอัตราขยายสูงและกระแสไฟฟ้ามืดต่ำ การวิจัยเกี่ยวกับเฮเทอโรจังก์ชันแบบแวนเดอร์วาลส์ของวัสดุสองมิติ (2D) แสดงให้เห็นถึงโอกาสที่กว้างขวางในการพัฒนา APD ประสิทธิภาพสูง นักวิจัยจากประเทศจีนได้เลือกวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองมิติแบบไบโพลาร์ WSe₂ เป็นวัสดุไวแสง และเตรียมโฟโตดีเทคเตอร์ APD อย่างพิถีพิถันด้วยโครงสร้าง Pt/WSe₂/Ni ที่มีฟังก์ชันการทำงานที่เหมาะสมที่สุด เพื่อแก้ปัญหาอัตราส่วนขยายและสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นในโฟโตดีเทคเตอร์ APD แบบดั้งเดิม

ทีมวิจัยได้เสนอโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ที่ใช้โครงสร้าง Pt/WSe₂/Ni ซึ่งสามารถตรวจจับสัญญาณแสงที่อ่อนมากได้อย่างไวในระดับเฟมโตวัตต์ (fW) ที่อุณหภูมิห้อง พวกเขาเลือกใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองมิติ WSe₂ ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม และรวมวัสดุอิเล็กโทรด Pt และ Ni เข้าด้วยกันเพื่อพัฒนาโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ชนิดใหม่ได้สำเร็จ โดยการปรับค่าฟังก์ชันงาน (work function) ระหว่าง Pt, WSe₂ และ Ni ให้เหมาะสมอย่างแม่นยำ กลไกการขนส่งจึงได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สามารถปิดกั้นตัวพาประจุที่มืดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ยอมให้ตัวพาประจุที่เกิดจากแสงผ่านไปได้ กลไกนี้ช่วยลดสัญญาณรบกวนที่มากเกินไปซึ่งเกิดจากการแตกตัวเป็นไอออนจากการชนของตัวพาประจุได้อย่างมาก ทำให้โฟโตดีเทคเตอร์สามารถตรวจจับสัญญาณแสงได้อย่างไวในระดับสัญญาณรบกวนต่ำมาก

จากนั้น เพื่อให้เข้าใจกลไกเบื้องหลังปรากฏการณ์การเกิดกระแสไฟฟ้าถล่มที่เกิดจากสนามไฟฟ้าอ่อนๆ นักวิจัยจึงประเมินความเข้ากันได้ของฟังก์ชันงานภายในของโลหะต่างๆ กับ WSe₂ ในเบื้องต้น โดยได้สร้างอุปกรณ์โลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ (MSM) หลายชุดที่มีขั้วไฟฟ้าโลหะต่างกัน และทำการทดสอบที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้ การลดการกระเจิงของพาหะก่อนที่กระแสไฟฟ้าถล่มจะเริ่มต้นขึ้น จะช่วยลดความไม่แน่นอนของการแตกตัวเป็นไอออนจากการชน ซึ่งจะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้ ดังนั้นจึงได้ทำการทดสอบที่เกี่ยวข้อง เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเหนือกว่าของ Pt/WSe₂/Ni APD ในแง่ของลักษณะการตอบสนองต่อเวลา นักวิจัยจึงได้ประเมินแบนด์วิดท์ -3 dB ของอุปกรณ์ภายใต้ค่าอัตราขยายแสงที่แตกต่างกัน

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าตัวตรวจจับ Pt/WSe₂/Ni มีกำลังเทียบเท่าสัญญาณรบกวน (NEP) ต่ำมากที่อุณหภูมิห้อง โดยมีค่าเพียง 8.07 fW/√Hz เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าตัวตรวจจับนี้สามารถระบุสัญญาณแสงที่อ่อนมากได้ นอกจากนี้ อุปกรณ์นี้ยังสามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่ความถี่การมอดูเลชัน 20 kHz ด้วยอัตราขยายสูงถึง 5×10⁵ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาคอขวดทางเทคนิคของตัวตรวจจับโฟโตโวลตาอิกแบบดั้งเดิมที่ยากต่อการสร้างสมดุลระหว่างอัตราขยายสูงและแบนด์วิดท์ คุณสมบัตินี้คาดว่าจะให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญในแอปพลิเคชันที่ต้องการอัตราขยายสูงและสัญญาณรบกวนต่ำ

งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของวิศวกรรมวัสดุและการเพิ่มประสิทธิภาพของส่วนต่อประสานในการยกระดับประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสงด้วยการออกแบบอิเล็กโทรดและวัสดุสองมิติอย่างชาญฉลาด ทำให้เกิดผลในการป้องกันพาหะมืด ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนได้อย่างมาก และเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับให้ดียิ่งขึ้น

ประสิทธิภาพของตัวตรวจจับนี้ไม่เพียงสะท้อนให้เห็นในคุณลักษณะทางไฟฟ้าแสงเท่านั้น แต่ยังมีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวางอีกด้วย ด้วยประสิทธิภาพในการปิดกั้นกระแสไฟฟ้ามืดที่อุณหภูมิห้องและการดูดซับตัวพาประจุที่เกิดจากแสงอย่างมีประสิทธิภาพ ตัวตรวจจับนี้จึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับสัญญาณแสงที่อ่อนในด้านต่างๆ เช่น การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ และการสื่อสารทางแสง ความสำเร็จในการวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ให้แนวคิดใหม่สำหรับการพัฒนาตัวตรวจจับแสงวัสดุมิติlต่ำเท่านั้น แต่ยังเป็นข้อมูลอ้างอิงใหม่สำหรับการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานต่ำในอนาคตอีกด้วย