งานวิจัยใหม่เกี่ยวกับโฟโตดีเทคเตอร์แบบ Avalanche มิติlต่ำ
เทคโนโลยีการตรวจจับโฟตอนจำนวนน้อยหรือแม้แต่โฟตอนเดี่ยวที่มีความไวสูงนั้น มีโอกาสในการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในด้านต่างๆ เช่น การถ่ายภาพในที่แสงน้อย การสำรวจระยะไกลและการวัดระยะทาง รวมถึงการสื่อสารควอนตัม ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ (APD) ได้กลายเป็นทิศทางสำคัญในการวิจัยอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก เนื่องจากมีขนาดเล็ก ประสิทธิภาพสูง และง่ายต่อการรวมเข้ากับวงจร อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของโฟโตดีเทคเตอร์ APD ซึ่งต้องการอัตราขยายสูงและกระแสไฟฟ้ามืดต่ำ การวิจัยเกี่ยวกับเฮเทอโรจังก์ชันแบบแวนเดอร์วาลส์ของวัสดุสองมิติ (2D) แสดงให้เห็นถึงโอกาสที่กว้างขวางในการพัฒนา APD ประสิทธิภาพสูง นักวิจัยจากประเทศจีนได้เลือกวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองมิติแบบไบโพลาร์ WSe₂ เป็นวัสดุไวแสง และเตรียมโครงสร้าง Pt/WSe₂/Ni อย่างระมัดระวังโฟโตดีเทคเตอร์ APDด้วยฟังก์ชันการทำงานที่เหมาะสมที่สุดเพื่อแก้ปัญหาเรื่องสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติใน APD แบบดั้งเดิม
นักวิจัยได้เสนอแนวคิดหนึ่งขึ้นมาเครื่องตรวจจับแสงถล่มโดยอาศัยโครงสร้าง Pt/WSe₂/Ni ทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณแสงที่อ่อนมากได้อย่างไวในระดับเฟมโตวัตต์ (fW) ที่อุณหภูมิห้อง พวกเขาเลือกใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองมิติ WSe₂ ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม และรวมเข้ากับวัสดุอิเล็กโทรด Pt และ Ni เพื่อพัฒนาโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ชนิดใหม่ได้สำเร็จ ด้วยการปรับค่าฟังก์ชันงาน (work function) ระหว่าง Pt, WSe₂ และ Ni ให้เหมาะสมอย่างแม่นยำ จึงได้ออกแบบกลไกการขนส่งที่สามารถปิดกั้นตัวพาประจุมืดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ยอมให้ตัวพาประจุที่เกิดจากแสงผ่านไปได้ กลไกนี้ช่วยลดสัญญาณรบกวนส่วนเกินที่เกิดจากการแตกตัวเป็นไอออนจากการชนของตัวพาประจุได้อย่างมาก ทำให้โฟโตดีเทคเตอร์สามารถตรวจจับสัญญาณแสงได้อย่างไวในระดับสัญญาณรบกวนต่ำมาก
งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของวิศวกรรมวัสดุและการปรับปรุงส่วนต่อประสานในการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสงด้วยการออกแบบอิเล็กโทรดและวัสดุสองมิติอย่างชาญฉลาด ทำให้เกิดผลในการป้องกันตัวนำไฟฟ้ามืด ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนได้อย่างมาก และเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับให้ดียิ่งขึ้น ประสิทธิภาพของตัวตรวจจับนี้ไม่เพียงแต่สะท้อนให้เห็นในคุณลักษณะทางไฟฟ้าแสงเท่านั้น แต่ยังมีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวางอีกด้วย ด้วยการปิดกั้นกระแสไฟฟ้ามืดอย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิห้องและการดูดซับตัวนำไฟฟ้าที่เกิดจากแสงอย่างมีประสิทธิภาพ ตัวตรวจจับแสงนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับสัญญาณแสงที่อ่อนในด้านต่างๆ เช่น การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ และการสื่อสารทางแสง ความสำเร็จในการวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ให้แนวคิดใหม่สำหรับการพัฒนาตัวตรวจจับแสงวัสดุสองมิติเท่านั้น แต่ยังเป็นข้อมูลอ้างอิงใหม่สำหรับการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานต่ำในอนาคตอีกด้วย
วันที่เผยแพร่: 27 สิงหาคม 2568