Kigunduzi cha picha cha pande mbili cha maporomoko ya theluji ya bipolar

Bipolar yenye pande mbilikigunduzi cha picha cha maporomoko ya theluji

Kigunduzi cha picha cha pande mbili cha maporomoko ya theluji kinachobadilika-badilika (bipolar-dimensional avalanche foto detector) (Kigunduzi cha picha cha APD) hufikia kelele ya chini sana na ugunduzi wa unyeti wa hali ya juu

Ugunduzi wa unyeti wa juu wa fotoni chache au hata fotoni moja una matarajio muhimu ya matumizi katika nyanja kama vile upigaji picha dhaifu wa mwanga, uhisi wa mbali na telemetri, na mawasiliano ya kwantumu. Miongoni mwao, kigunduzi cha picha cha maporomoko ya theluji (APD) kimekuwa mwelekeo muhimu katika uwanja wa utafiti wa vifaa vya optoelectronic kutokana na sifa zake za ukubwa mdogo, ufanisi mkubwa na ujumuishaji rahisi. Uwiano wa ishara-kwa-kelele (SNR) ni kiashiria muhimu cha kigunduzi cha picha cha APD, ambacho kinahitaji ongezeko kubwa na mkondo mdogo wa giza. Utafiti kuhusu utofauti wa van der Waals wa vifaa vya pande mbili (2D) unaonyesha matarajio mapana katika ukuzaji wa APD zenye utendaji wa hali ya juu. Watafiti kutoka China walichagua nyenzo ya semiconductor ya pande mbili ya bipolar WSe₂ kama nyenzo nyeti ya mwanga na kigunduzi cha picha cha APD kilichoandaliwa kwa uangalifu na muundo wa Pt/WSe₂/Ni ambao una kazi bora ya kulinganisha, ili kutatua tatizo la asili la kelele ya ongezeko la foto la kigunduzi cha picha cha jadi cha APD.

Timu ya utafiti ilipendekeza kigunduzi cha picha cha maporomoko ya theluji kulingana na muundo wa Pt/WSe₂/Ni, ambacho kilifikia ugunduzi nyeti sana wa ishara dhaifu sana za mwanga katika kiwango cha fW kwenye halijoto ya kawaida. Walichagua nyenzo ya semiconductor ya pande mbili WSe₂, ambayo ina sifa bora za umeme, na waliunganisha vifaa vya elektrodi vya Pt na Ni ili kutengeneza kwa mafanikio aina mpya ya kigunduzi cha picha cha maporomoko ya theluji. Kwa kuboresha kwa usahihi ulinganisho wa kazi kati ya Pt, WSe₂ na Ni, utaratibu wa usafiri ulibuniwa ambao unaweza kuzuia vibebaji vyeusi huku ukiruhusu vibebaji vilivyotengenezwa kwa picha kupita. Utaratibu huu hupunguza kwa kiasi kikubwa kelele nyingi zinazosababishwa na ioni ya athari ya kibebaji, na kuwezesha kigunduzi cha picha kufikia ugunduzi nyeti sana wa ishara ya macho katika kiwango cha chini sana cha kelele.

Kisha, ili kufafanua utaratibu ulio nyuma ya athari ya maporomoko ya theluji inayosababishwa na uwanja dhaifu wa umeme, watafiti awali walitathmini utangamano wa kazi za asili za metali mbalimbali na WSe₂. Mfululizo wa vifaa vya metali-semiconductor-metal (MSM) vyenye elektrodi tofauti za chuma vilitengenezwa na majaribio husika yalifanywa juu yake. Zaidi ya hayo, kwa kupunguza mtawanyiko wa mtoa huduma kabla ya maporomoko ya theluji kuanza, nasibu ya ioni ya athari inaweza kupunguzwa, na hivyo kupunguza kelele. Kwa hivyo, majaribio husika yalifanywa. Ili kuonyesha zaidi ubora wa Pt/WSe₂/Ni APD katika suala la sifa za mwitikio wa wakati, watafiti walitathmini zaidi kipimo data cha -3 dB cha kifaa chini ya thamani tofauti za kupata umeme wa foto.

Matokeo ya majaribio yanaonyesha kuwa kigunduzi cha Pt/WSe₂/Ni kinaonyesha nguvu ya chini sana ya kelele sawa (NEP) kwenye halijoto ya kawaida, ambayo ni 8.07 fW/√Hz pekee. Hii ina maana kwamba kigunduzi kinaweza kutambua ishara dhaifu sana za macho. Zaidi ya hayo, kifaa hiki kinaweza kufanya kazi kwa utulivu katika masafa ya moduli ya 20 kHz na ongezeko kubwa la 5×10⁵, na kutatua kwa mafanikio kizuizi cha kiufundi cha vigunduzi vya jadi vya photovoltaic ambavyo ni vigumu kusawazisha ongezeko kubwa na kipimo data. Kipengele hiki kinatarajiwa kukipa faida kubwa katika matumizi yanayohitaji ongezeko kubwa na kelele ndogo.

Utafiti huu unaonyesha jukumu muhimu la uhandisi wa nyenzo na uboreshaji wa kiolesura katika kuboresha utendaji wavigunduzi vya pichaKupitia muundo wa kistadi wa elektrodi na vifaa vya pande mbili, athari ya kinga ya wabebaji weusi imepatikana, ikipunguza kwa kiasi kikubwa kuingiliwa kwa kelele na kuboresha zaidi ufanisi wa kugundua.

Utendaji wa kigunduzi hiki hauonekani tu katika sifa za fotoelektri, lakini pia una matarajio mapana ya matumizi. Kwa kuzuia kwake kwa ufanisi mkondo mweusi kwenye joto la kawaida na unyonyaji mzuri wa wabebaji wanaozalishwa na picha, kigunduzi hiki kinafaa sana kwa kugundua ishara dhaifu za mwanga katika nyanja kama vile ufuatiliaji wa mazingira, uchunguzi wa angani, na mawasiliano ya macho. Mafanikio haya ya utafiti hayatoi tu mawazo mapya kwa ajili ya ukuzaji wa vigunduzi vya foto vya nyenzo zenye vipimo vya chini, lakini pia hutoa marejeleo mapya kwa ajili ya utafiti na maendeleo ya baadaye ya vifaa vya optoelektri vya utendaji wa juu na vya nguvu ndogo.