Os professores Hu Weida e Peng Hailin, dois pesquisadores do Instituto de Física Técnica de Xangai e da Universidade de Pequim, propuseram recentemente heteroestruturas de van der Waals de alinhamento de banda e de combinação de momento para resolver o baixo QE de fotodetectores infravermelhos de materiais 2D. Os resultados foram publicados em Science Advances , intitulado "Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infravermelho photodetection".
Fotodetectores infravermelhos com alta eficiência quântica (QE) podem ser usados ​​para detecção de luz ultrafraca e comunicação quântica. No entanto, o QE é amplamente limitado pela absortividade e recombinação de defeitos dos absorvedores de infravermelho, bem como pela coleta do transportador fotogerado, o que impede severamente a fabricação e o desenvolvimento de fotodetectores infravermelhos com alto QE. Como resultado, os semicondutores de banda direta com alta eficiência de conversão fotoelétrica são sempre preferidos. No entanto, desvantagens tecnológicas, como processos de crescimento caros, condições de trabalho criogênicas e elementos tóxicos, ainda limitam o espaço de aplicação em expansão dos materiais convencionais. Além disso, ainda é um desafio atender aos requisitos de correspondência de treliça e alinhamento de banda em blocos de construção de heterojunção baseados em materiais a granel convencionais.

Materiais em camadas bidimensionais (2D) oferecem novas oportunidades para a tecnologia de detecção de infravermelho porque possuem superfícies naturalmente passivadas e podem ser empilhadas em heteroestruturas de van der Waals (vdW) sem considerar mais a correspondência de treliça. No entanto, os fotodetectores 2D vdW sofrem severamente de baixo QE devido à sua natureza atomicamente fina. Várias estratégias, incluindo guias de onda ópticos, ressonadores ópticos e plasmons de superfície, demonstraram aumentar o QE em fotodetectores 2D, mas à custa do nível de integração do dispositivo e da resposta espectral estreita.

As heteroestruturas vdW de casamento de momento podem suportar transições entre camadas que são diretas no espaço k, independentemente de semicondutores de banda proibida direta ou indireta, em que o máximo da banda de valência (VBM) de um semicondutor e o mínimo da banda de condução (CBM) de outro são centrado no espaço k na zona de Brillouin. "Portanto, as heteroestruturas vdW de correspondência de momento podem não apenas melhorar a taxa de geração de fotoportadores, mas também potencialmente ampliar a resposta espectral", disse Hu.

Ele também pode reduzir a recombinação de interface com baixa dispersão de descasamento de rede e impurezas livres de defeitos. É importante ressaltar que para fotodetecção infravermelha, alinhamentos de bandas racionais são muito significativos para alcançar um alto QE, otimizando a geração, suprimindo a recombinação e melhorando a coleta de fotoportadores. A estrutura de alinhamento de banda tipo II sem barreiras de potencial para elétrons e lacunas é desejável.

O máximo da banda de valência de fósforo preto 2D (BP) e o mínimo da banda de condução de 2D Bi₂ O₂ Se estão localizados no mesmo ponto Г, conforme mostrado na Figura 1a. Os portadores na interface podem ser estimulados nas bandas de condução de BP e Bi₂ O₂ Se, o que melhora muito a transição e geração dos fotoportadores. Os elétrons e buracos fotogerados não veem barreiras de potencial e podem ser coletados de forma eficiente no tipo II BP/Bi₂ O₂ Se heterojunção vdW, mostrada na Figura 1b. Em última análise, o QE da temperatura ambiente (84% a 1,3 μm e 76,5% a 2 μm) do BP/Bi₂ O₂ Se foram alcançados, que são mais altos do que a maioria dos dispositivos baseados em 2D relatados e até comparáveis ​​aos fotodetectores infravermelhos de última geração comercialmente com polarização zero, como mostrado na Figura 1C. Este alto QE é causado pelo alto coeficiente de absorção, transporte de banda livre de barreira e interfaces livres de detecção. Além disso, a razão de polarização do BP/Bi₂ O₂ Se dispositivo em 2 μm é de até 17, conforme mostrado na Figura 1d. Isso também é superior à maioria dos fotodetectores baseados em materiais polarizados ou estruturas assistidas por antena na região do infravermelho de ondas curtas. + Explorar mais

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