Con il loro spessore atomico, l’elevata mobilità dei portatori e le bande proibite sintonizzabili, questi materiali sono estremamente promettenti in varie applicazioni e continuano a raccogliere un notevole interesse nella comunità scientifica. Grafene, una struttura cristallina di atomi di carbonio strettamente impaccati collegati da sp ² ibridazione che forma un reticolo bidimensionale a nido d'ape monostrato, vanta una mobilità elettronica fino a 2×10 ⁵ cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ .

Tuttavia, i trasportatori fotogenerati di breve durata del grafene, attribuiti al suo bandgap pari a zero e all'assorbimento della luce estremamente basso (2,3%), ostacolano le sue applicazioni nei dispositivi. I dichalcogenuri dei metalli di transizione presentano ampi gap di banda e mobilità dei portatori relativamente bassa (<200 cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ ), rendendoli inadatti per applicazioni nel campo della rilevazione optoelettronica.

Grazie alle sue caratteristiche uniche, il fosforo nero emerge come un materiale altamente promettente per i rilevatori a infrarossi. In particolare, mostra un bandgap diretto che va da 0,34 eV in massa a 2,1 eV in forma monostrato. Inoltre, sulla base di studi precedenti, il fosforo nero possiede un'elevata mobilità dei portatori di circa 1.000 cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ e un ampio rapporto on/off pari a 105. Questi attributi aumentano ulteriormente il potenziale del fosforo nero come materiale preferito per le applicazioni di rilevamento a infrarossi.

Sfortunatamente, il fosforo nero soffre di scarsa stabilità e si degrada rapidamente nell’atmosfera a temperatura ambiente, limitando le sue applicazioni pratiche. L'arsenico nero (B-As), come omologo del fosforo, condivide una struttura cristallina simile con BP e si prevede che mostri eccellenti prestazioni elettriche e ottiche, con prevista elevata mobilità dei portatori (fino a 10 ³ cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ ).

Come indicato da ricerche precedenti, il bandgap dei B-A dipende fortemente dallo spessore del materiale. Nello specifico, il bandgap indiretto dei B-A a strato singolo varia da circa 1-1,5 eV, mentre il B-As bulk è un semiconduttore con bandgap diretto con un bandgap di circa 0,3 eV.

Questi risultati sottolineano l'importanza di considerare lo spessore dello strato nello studio delle proprietà elettroniche e ottiche dei B-A, dimostrando il potenziale di questo materiale in varie applicazioni.

Ora, un gruppo di ricerca ha progettato un fotorilevatore a doppia banda basato sul fosforo nero per le lunghezze d'onda visibili e infrarosse. A temperatura ambiente, il team ha scoperto attraverso le caratteristiche di trasferimento e le caratteristiche di tensione-corrente del dispositivo che il dispositivo preparato è un FET in modalità di esaurimento di tipo n e presenta un buon contatto ohmico.

La ricerca è pubblicata sulla rivista Advanced Devices &Instrumentation .

Quando l'energia dei fotoni laser incidenti è maggiore della banda proibita di diversi strati di B-As (hv> Eg), possono essere generate coppie elettrone-lacuna fotoeccitate. Quando il dispositivo B-As è in modalità polarizzazione, il campo elettrico applicato separa efficacemente le coppie elettrone-lacuna fotogenerate sull'interfaccia e le inietta nell'elettrodo, generando così una fotocorrente. I risultati della ricerca del team indicano che l'effetto fotoconduttivo è il principale meccanismo di risposta alla luce del dispositivo B-As nelle bande della luce visibile e degli infrarossi.

Durante l'esperimento, hanno trovato un segnale debole con tensione di polarizzazione pari a zero, che hanno analizzato come dovuto all'illuminazione non uniforme del punto laser sul canale che introduce la corrente fototermica. Ciò può anche essere attribuito all'effetto Dember causato dai diversi coefficienti di diffusione di elettroni e lacune, che portano al campo elettrico incorporato.

I ricercatori hanno fornito il modo più intuitivo ed efficace per visualizzare la regione in cui viene generata la fotocorrente attraverso la scansione delle mappe della fotocorrente, utilizzate per convalidare la loro spiegazione. Un debole segnale di fotocorrente viene emesso dal dispositivo con polarizzazione di 0 V, confermando la spiegazione precedente. Aumentando la tensione di polarizzazione di 0,01 V nella stessa posizione del canale si rivela una significativa espansione dell'area fotosensibile.

Questo studio ha sviluppato con successo un fotorilevatore B-As in grado di rispondere rapidamente a temperatura ambiente, dimostrando eccezionali caratteristiche di risposta alla luce a doppia banda. Il rilevatore ha mostrato una fotoresponsività di picco di 387,3 mA·W ⁻¹ a una lunghezza d'onda del vicino infrarosso di 825 nm senza la necessità di una polarizzazione esterna e ha raggiunto un'elevata rilevabilità di 1,37×10 ⁸ Jones.

Il meccanismo di risposta nello spettro dal visibile all'infrarosso è principalmente attribuito all'effetto fotoconduttivo. Questi risultati non solo confermano le prestazioni fotoelettriche superiori dei B-A come semiconduttore a banda proibita stretta, ma mostrano anche le sue prestazioni paragonabili a quelle del fosforo nero (BP), indicando un potenziale significativo per l'applicazione in dispositivi optoelettronici ad alta velocità. Ancora più importante, le capacità di rilevamento a doppia banda dimostrate in questa ricerca gettano una solida base per il futuro sviluppo di tecnologie di fotorilevamento a banda larga a temperatura ambiente.