Il Centro per la Fisica Integrata delle Nanostrutture, all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) ha sviluppato il fotorilevatore più sottile al mondo, questo è un dispositivo che converte la luce in corrente elettrica. Con uno spessore di soli 1,3 nanometri - 10 volte più piccolo degli attuali diodi al silicio standard - questo dispositivo potrebbe essere utilizzato nell'Internet of Things, dispositivi intelligenti, elettronica indossabile e fotoelettronica. Questa tecnologia 2D, pubblicato su Comunicazioni sulla natura , utilizza bisolfuro di molibdeno (MoS2) inserito in grafene.

Il grafene è un materiale fantastico:è conduttivo, sottile (solo un atomo di spessore), trasparente e flessibile. Però, poiché non si comporta come un semiconduttore, la sua applicazione nell'industria elettronica è limitata. Perciò, al fine di aumentare l'usabilità del grafene, Gli scienziati dell'IBS hanno inserito uno strato del semiconduttore 2D MoS2 tra due fogli di grafene e lo hanno messo su una base di silicio. Inizialmente pensavano che il dispositivo risultante fosse troppo sottile per generare una corrente elettrica ma, inaspettatamente, lo ha fatto. "Un dispositivo con uno strato di MoS2 è troppo sottile per generare una giunzione p-n convenzionale, dove le cariche positive (p) e le cariche negative (n) sono separate e possono creare un campo elettrico interno. Però, quando gli illuminiamo, abbiamo osservato un'elevata fotocorrente. È stato sorprendente! Poiché non può essere una classica giunzione p-n, abbiamo pensato di indagare ulteriormente, " spiega YU Woo Jong, primo autore di questo studio.

Per capire cosa hanno trovato, i ricercatori hanno confrontato i dispositivi con uno e sette strati di MoS2 e hanno testato il loro comportamento come fotorilevatore, questo è, come sono in grado di convertire la luce in corrente elettrica. Hanno scoperto che il dispositivo con MoS2 a uno strato assorbe meno luce rispetto al dispositivo con sette strati, ma ha una fotoresponsività maggiore. "Di solito la fotocorrente è proporzionale alla fotoassorbanza, questo è, se il dispositivo assorbe più luce, dovrebbe generare più elettricità, ma in questo caso, anche se il dispositivo MoS2 a uno strato ha un'assorbanza inferiore rispetto al MoS2 a sette strati produce sette volte più fotocorrente, " descrive Yu.

Il monostrato è più sottile e quindi più sensibile all'ambiente circostante:lo strato inferiore di SiO2 aumenta la barriera energetica, mentre l'aria sopra lo riduce, quindi gli elettroni nel dispositivo monostrato hanno una maggiore probabilità di passare dallo strato MoS2 al grafene superiore (GrT). La barriera energetica alla giunzione GrT/MoS2 è inferiore a quella alla giunzione GrB/MoS2, quindi gli elettroni eccitati si trasferiscono preferenzialmente allo strato di GrT e creano una corrente elettrica. Al contrario, nel dispositivo MoS2 multistrato, le barriere energetiche tra GrT/MoS2 e GrB/MoS2 sono simmetriche, quindi gli elettroni hanno la stessa probabilità di andare da una parte e dall'altra e quindi di ridurre la corrente generata.

Immagina un gruppo di persone in una valle circondata da due montagne. Il gruppo vuole arrivare dall'altra parte delle montagne, ma senza fare troppi sforzi. In un caso (il dispositivo MoS2 a sette strati), entrambe le montagne hanno la stessa altezza, quindi qualunque montagna venga attraversata, lo sforzo sarà lo stesso. Quindi metà del gruppo attraversa una montagna e l'altra metà la seconda montagna.

Nel secondo caso (analogo al dispositivo MoS2 a uno strato), una montagna è più alta dell'altra, così la maggioranza del gruppo decide di attraversare la montagna più piccola. Però, perché stiamo considerando la fisica quantistica invece dell'elettromagnetismo classico, non hanno bisogno di scalare la montagna fino a raggiungere la cima (come dovrebbero fare con la fisica classica), ma possono passare attraverso un tunnel. Sebbene il tunneling degli elettroni e il percorrere un tunnel in una montagna siano ovviamente molto diversi, l'idea è che la corrente elettrica sia generata dal flusso di elettroni, e il dispositivo più sottile può generare più corrente perché più elettroni fluiscono nella stessa direzione.

In realtà, quando la luce viene assorbita dal dispositivo e gli elettroni MoS2 saltano in uno stato eccitato, lasciano dietro di sé i cosiddetti buchi. I buchi si comportano come cariche mobili positive e sono essenzialmente posizioni lasciate vuote da elettroni che hanno assorbito energia sufficiente per passare a uno stato energetico superiore. Un altro problema del dispositivo più spesso è che elettroni e lacune si muovono troppo lentamente attraverso le giunzioni tra grafene e MoS2, portando alla loro ricombinazione indesiderata all'interno dello strato MoS2.

Per queste ragioni, fino al 65% dei fotoni assorbiti dal dispositivo più sottile vengono utilizzati per generare una corrente. Anziché, la stessa misura (efficienza quantica) è solo del 7% per l'apparato MoS2 a sette strati.

"Questo dispositivo è trasparente, flessibile e richiede meno energia rispetto agli attuali semiconduttori in silicio 3D. Se la ricerca futura avrà successo, accelererà lo sviluppo di dispositivi fotoelettrici 2D, " spiega il professore.