I professori Hu Weida e Peng Hailin, due ricercatori dello Shanghai Institute of Technical Physics e dell'Università di Pechino, hanno recentemente proposto eterostrutture di van der Waals con abbinamento di quantità di moto e allineamento di banda per risolvere il basso QE dei fotorivelatori a infrarossi di materiali 2D. I risultati sono stati pubblicati in Science Advances , intitolato "Eterostrutture di van der Waals di adattamento di momento e allineamento di banda per il fotorilevamento a infrarossi ad alta efficienza".

I fotorivelatori a infrarossi con un'elevata efficienza quantistica (QE) possono essere utilizzati per il rilevamento di luce ultradebole e la comunicazione quantistica. Tuttavia, il QE è in gran parte limitato dall'assorbimento e dalla ricombinazione dei difetti degli assorbitori di infrarossi, nonché dalla raccolta del vettore fotogenerato, che ostacola gravemente la fabbricazione e l'ulteriore sviluppo di fotorilevatori a infrarossi con un QE elevato. Di conseguenza, sono sempre preferiti i semiconduttori a banda proibita diretta con un'elevata efficienza di conversione fotoelettrica. Tuttavia, gli svantaggi tecnologici come i costosi processi di crescita, le condizioni di lavoro criogeniche e gli elementi tossici limitano ancora lo spazio di applicazione in espansione dei materiali convenzionali. Inoltre, è ancora difficile soddisfare i requisiti sia dell'abbinamento del reticolo che dell'allineamento delle bande nei blocchi costitutivi dell'eterogiunzione basati su materiali sfusi convenzionali.

I materiali stratificati bidimensionali (2D) offrono nuove opportunità per la tecnologia di rilevamento a infrarossi perché possiedono superfici naturalmente passivate e possono essere impilati in eterostrutture di van der Waals (vdW) senza ulteriori considerazioni sulla corrispondenza del reticolo. Tuttavia, i fotorilevatori 2D vdW soffrono gravemente di un basso QE a causa della loro natura atomicamente sottile. È stato dimostrato che diverse strategie, tra cui guide d'onda ottiche, risonatori ottici e plasmoni di superficie, migliorano il QE nei fotorivelatori 2D ma a scapito del livello di integrazione del dispositivo e della risposta spettrale ristretta.

Le eterostrutture vdW di adattamento del momento possono supportare transizioni interstrato che sono dirette nel k-spazio indipendentemente dai semiconduttori a bandgap diretti o indiretti, in cui il massimo della banda di valenza (VBM) di un semiconduttore e il minimo della banda di conduzione (CBM) di un altro sono centrato nello spazio k nella zona di Brillouin. "Pertanto, le eterostrutture vdW di corrispondenza del momento non solo possono migliorare il tasso di generazione dei fotocarrier, ma anche potenzialmente ampliare la risposta spettrale", ha affermato Hu.

Può anche ridurre la ricombinazione dell'interfaccia con una bassa dispersione del disadattamento del reticolo e impurità prive di difetti. È importante sottolineare che per il fotorilevamento a infrarossi, gli allineamenti di banda razionali sono molto significativi per ottenere un QE elevato ottimizzando la generazione, sopprimendo la ricombinazione e migliorando la raccolta di fotoportanti. È auspicabile la struttura di allineamento di banda di tipo II senza potenziali barriere per elettroni e lacune.

Il massimo in banda di valenza del fosforo nero 2D (BP) e il minimo in banda di conduzione di 2D Bi₂ O₂ Se si trovano nello stesso punto Ã, come mostrato nella Figura 1a. I portatori all'interfaccia possono essere stimolati nelle bande di conduzione di BP e Bi₂ O₂ Se, che migliora notevolmente la transizione e la generazione dei fotocarrier. Gli elettroni e le lacune fotogenerati non vedono potenziali barriere e possono essere raccolti in modo efficiente in BP/Bi₂ di tipo II O₂ Se eterogiunzione vdW, mostrata nella Figura 1b. Infine, la temperatura ambiente QE (84% a 1,3 μm e 76,5% a 2 μm) del BP/Bi₂ O₂ Sono stati raggiunti dispositivi Se, che sono superiori alla maggior parte dei dispositivi basati su 2D segnalati e persino paragonabili ai fotorivelatori a infrarossi commercialmente all'avanguardia a zero bias, come mostrato nella Figura 1C. Questo QE elevato è causato dall'elevato coefficiente di assorbimento, dal trasporto di banda a barriera libera e dalle interfacce prive di rilevamento. Inoltre, il rapporto di polarizzazione del BP/Bi₂ O₂ Se dispositivo a 2 μm è fino a 17, come mostrato nella Figura 1d. Questo è anche superiore alla maggior parte dei fotorilevatori basati su materiali polarizzati o strutture assistite da antenna nella regione dell'infrarosso a onde corte. + Esplora ulteriormente

I ricercatori creano fotorilevatori a barriera unipolari basati su materiali stratificati 2D