द्विध्रुवीय द्विमितीय हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

द्विध्रुवीय द्विमितीयहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

द्विध्रुवीय द्विमितीय हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (APD फोटोडिटेक्टर) अत्यंत कमी आवाज आणि उच्च संवेदनशीलतेचे शोधन साध्य करते

काही फोटॉन किंवा अगदी एकाच फोटॉनच्या उच्च-संवेदनशीलता शोधाला मंद प्रकाश इमेजिंग, रिमोट सेन्सिंग आणि टेलीमेट्री, आणि क्वांटम कम्युनिकेशन यांसारख्या क्षेत्रांमध्ये महत्त्वपूर्ण अनुप्रयोग संधी आहेत. त्यापैकी, अव्हॅलेंच फोटोडिटेक्टर (APD) हा त्याच्या लहान आकार, उच्च कार्यक्षमता आणि सुलभ एकत्रीकरण या वैशिष्ट्यांमुळे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण संशोधनाच्या क्षेत्रात एक महत्त्वाची दिशा बनला आहे. सिग्नल-टू-नॉइज रेशो (SNR) हा APD फोटोडिटेक्टरचा एक महत्त्वाचा निर्देशक आहे, ज्यासाठी उच्च गेन आणि कमी डार्क करंटची आवश्यकता असते. द्विमितीय (2D) पदार्थांच्या व्हॅन डर वाल्स हेटरोजंक्शनवरील संशोधन उच्च-कार्यक्षम APD च्या विकासात व्यापक संधी दर्शवते. चीनमधील संशोधकांनी पारंपरिक APD फोटोडिटेक्टरमधील मूळ गेन-नॉइजची समस्या सोडवण्यासाठी, बायपोलर द्विमितीय सेमीकंडक्टर पदार्थ WSe₂ ला प्रकाशसंवेदनशील पदार्थ म्हणून निवडले आणि सर्वोत्तम जुळणारे वर्क फंक्शन असलेल्या Pt/WSe₂/Ni संरचनेचा APD फोटोडिटेक्टर काळजीपूर्वक तयार केला.

संशोधक संघाने Pt/WSe₂/Ni संरचनेवर आधारित एक अव्हॅलेंच फोटोडिटेक्टर प्रस्तावित केला, ज्याने सामान्य तापमानात fW स्तरावरील अत्यंत क्षीण प्रकाश संकेतांचे अत्यंत संवेदनशीलतेने शोध घेणे साध्य केले. त्यांनी उत्कृष्ट विद्युत गुणधर्म असलेले द्विमितीय सेमीकंडक्टर मटेरियल WSe₂ निवडले आणि Pt व Ni इलेक्ट्रोड मटेरियल एकत्र करून एका नवीन प्रकारचा अव्हॅलेंच फोटोडिटेक्टर यशस्वीरित्या विकसित केला. Pt, WSe₂ आणि Ni यांच्यातील वर्क फंक्शन मॅचिंग अचूकपणे ऑप्टिमाइझ करून, एक अशी वहन यंत्रणा तयार करण्यात आली, जी डार्क कॅरिअर्सना प्रभावीपणे रोखू शकते आणि निवडकपणे फोटोजनरेटेड कॅरिअर्सना त्यातून जाऊ देते. ही यंत्रणा कॅरिअर इम्पॅक्ट आयनायझेशनमुळे होणारा अतिरिक्त नॉइज लक्षणीयरीत्या कमी करते, ज्यामुळे फोटोडिटेक्टरला अत्यंत कमी नॉइज पातळीवर अत्यंत संवेदनशील ऑप्टिकल सिग्नल शोधणे शक्य होते.

त्यानंतर, क्षीण विद्युत क्षेत्रामुळे प्रेरित होणाऱ्या अव्हॅलॅन्च परिणामामागील यंत्रणा स्पष्ट करण्यासाठी, संशोधकांनी सुरुवातीला विविध धातूंच्या अंगभूत वर्क फंक्शन्सची WSe₂ सोबतची सुसंगतता तपासली. वेगवेगळ्या धातूंच्या इलेक्ट्रोड्ससह मेटल-सेमीकंडक्टर-मेटल (MSM) उपकरणांची एक मालिका तयार करण्यात आली आणि त्यांच्यावर संबंधित चाचण्या घेण्यात आल्या. याव्यतिरिक्त, अव्हॅलॅन्च सुरू होण्यापूर्वी वाहकांचे विकिरण कमी करून, इम्पॅक्ट आयनायझेशनची यादृच्छिकता कमी केली जाऊ शकते, ज्यामुळे नॉईज कमी होतो. म्हणून, संबंधित चाचण्या घेण्यात आल्या. टाइम रिस्पॉन्स वैशिष्ट्यांच्या बाबतीत Pt/WSe₂/Ni APD ची श्रेष्ठता अधिक स्पष्ट करण्यासाठी, संशोधकांनी वेगवेगळ्या फोटोइलेक्ट्रिक गेन मूल्यांखाली उपकरणाच्या -3 dB बँडविड्थचे मूल्यांकन केले.

प्रायोगिक परिणामांनुसार, Pt/WSe₂/Ni डिटेक्टर सामान्य तापमानावर अत्यंत कमी नॉईज इक्विव्हॅलेंट पॉवर (NEP) दाखवतो, जी केवळ 8.07 fW/√Hz आहे. याचा अर्थ असा की, हा डिटेक्टर अत्यंत क्षीण ऑप्टिकल सिग्नल्स ओळखू शकतो. याव्यतिरिक्त, हे उपकरण 5×10⁵ च्या उच्च गेनसह 20 kHz च्या मॉड्युलेशन फ्रिक्वेन्सीवर स्थिरपणे कार्य करू शकते, ज्यामुळे उच्च गेन आणि बँडविड्थमध्ये संतुलन साधण्यात येणाऱ्या पारंपरिक फोटोव्होल्टेइक डिटेक्टर्सची तांत्रिक अडचण यशस्वीरित्या दूर होते. या वैशिष्ट्यामुळे, उच्च गेन आणि कमी नॉईजची आवश्यकता असलेल्या अनुप्रयोगांमध्ये याला महत्त्वपूर्ण फायदे मिळण्याची अपेक्षा आहे.

हे संशोधन कार्यक्षमता वाढविण्यात मटेरियल इंजिनिअरिंग आणि इंटरफेस ऑप्टिमायझेशनच्या महत्त्वपूर्ण भूमिकेचे प्रदर्शन करते.फोटोडिटेक्टरइलेक्ट्रोड आणि द्विमितीय पदार्थांच्या कल्पक रचनेद्वारे, डार्क कॅरिअर्सचा परिरक्षण प्रभाव साधण्यात आला आहे, ज्यामुळे नॉईज हस्तक्षेप लक्षणीयरीत्या कमी होतो आणि शोध कार्यक्षमता आणखी सुधारते.

या डिटेक्टरची कार्यक्षमता केवळ फोटोइलेक्ट्रिक वैशिष्ट्यांमध्येच दिसून येत नाही, तर त्याला व्यापक उपयोजनाची शक्यताही आहे. सामान्य तापमानावर डार्क करंटला प्रभावीपणे रोखण्याची आणि प्रकाशामुळे निर्माण झालेल्या वाहकांचे कार्यक्षमतेने शोषण करण्याची क्षमता असल्यामुळे, हा डिटेक्टर पर्यावरण निरीक्षण, खगोलशास्त्रीय निरीक्षण आणि ऑप्टिकल कम्युनिकेशन यांसारख्या क्षेत्रांमध्ये क्षीण प्रकाश संकेत शोधण्यासाठी विशेषतः योग्य आहे. हे संशोधन यश केवळ कमी-मितीय पदार्थांच्या फोटोडिटेक्टर्सच्या विकासासाठी नवीन कल्पनाच देत नाही, तर उच्च-कार्यक्षमता आणि कमी-ऊर्जा वापरणाऱ्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या भविष्यातील संशोधन आणि विकासासाठी नवीन संदर्भही प्रदान करते.