Conforme mostrado na Figura A-B, em temperatura ambiente, a equipe descobriu, por meio das características de transferência e das características de tensão-corrente do dispositivo, que o dispositivo preparado é um FET de modo de depleção tipo n e exibe um bom contato ôhmico. O mecanismo físico do dispositivo detector B-As, incluindo a luz visível e as bandas do infravermelho próximo, é descrito como mostrado na Figura CD. Como visto na Fig EF, um sinal de fotocorrente fraco é emitido do dispositivo com polarização de 0 V, confirmando nossa explicação anterior. Aumentar a tensão de polarização em 0,01 V na mesma posição do canal revela uma expansão significativa da área fotossensível. Crédito:Dispositivos Avançados e Instrumentação Nos últimos anos, a estrutura excepcional e as fascinantes propriedades elétricas e ópticas dos cristais bidimensionais (2D) em camadas atraíram a atenção generalizada. Exemplos de tais cristais incluem grafeno, fósforo preto (BP) e dichalcogenetos de metais de transição (TMDs).
Com sua espessura atômica, alta mobilidade de portadores e bandgaps ajustáveis, esses materiais são imensamente promissores em diversas aplicações e continuam a atrair interesse significativo na comunidade científica. Grafeno, uma estrutura cristalina de átomos de carbono fortemente compactados conectados por sp
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hibridização formando uma rede de favo de mel bidimensional de camada única, possui uma mobilidade de elétrons tão alta quanto 2×10
5
cm
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·V
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·s
−1
.
No entanto, os portadores fotogerados de curta duração do grafeno, atribuídos ao seu bandgap zero e à absorção de luz extremamente baixa (2,3%), dificultam suas aplicações em dispositivos. Os dichalcogenetos de metais de transição apresentam amplos bandgaps e mobilidade de portadores relativamente menor (<200 cm
2
·V
−1
·s
−1
), tornando-os inadequados para aplicações na área de detecção optoeletrônica.
Devido às suas características únicas, o fósforo negro surge como um material altamente promissor para detectores infravermelhos. Notavelmente, exibe um bandgap direto variando de 0,34 eV em massa a 2,1 eV na forma de monocamada. Além disso, com base em estudos anteriores, o fósforo negro possui uma alta mobilidade de portadores de aproximadamente 1.000 cm
2
·V
−1
·s
−1
e uma grande relação liga/desliga de 105. Esses atributos aumentam ainda mais o potencial do fósforo negro como material preferido para aplicações de detecção infravermelha.
Infelizmente, o fósforo negro sofre de fraca estabilidade e degrada-se rapidamente na atmosfera à temperatura ambiente, limitando as suas aplicações práticas. O arsênio negro (B-As), como homólogo do fósforo, compartilha uma estrutura cristalina semelhante com o BP e espera-se que exiba excelente desempenho elétrico e óptico, com alta mobilidade antecipada do portador (até 10
3
cm
2
·V
−1
·s
−1
).
Como pesquisas anteriores indicaram, o bandgap de B-As é altamente dependente da espessura do material. Especificamente, o bandgap indireto de B-As de camada única varia de aproximadamente 1-1,5 eV, enquanto B-As em massa é um semicondutor de bandgap direto com um bandgap de aproximadamente 0,3 eV.
Essas descobertas ressaltam a importância de considerar a espessura da camada no estudo das propriedades eletrônicas e ópticas do B-As, demonstrando o potencial deste material em diversas aplicações.
Agora, um grupo de pesquisa projetou um fotodetector de banda dupla baseado em fósforo preto para comprimentos de onda visíveis e infravermelhos. À temperatura ambiente, a equipe descobriu, por meio das características de transferência e das características de tensão-corrente do dispositivo, que o dispositivo preparado é um FET de modo de depleção tipo n e exibe um bom contato ôhmico.
A pesquisa foi publicada na revista Advanced Devices &Instrumentation .
Quando a energia dos fótons do laser incidentes é maior que o bandgap de várias camadas de B-As (hv> Eg), pares elétron-buraco fotoexcitados podem ser gerados. Quando o dispositivo B-As está no modo de polarização, o campo elétrico aplicado separa efetivamente os pares elétron-buraco fotogerados na interface e os injeta no eletrodo, gerando assim uma fotocorrente. Os resultados da pesquisa da equipe indicam que o efeito fotocondutor é o principal mecanismo de resposta à luz do dispositivo B-As nas faixas de luz visível e infravermelha.
Durante o experimento, eles encontraram um sinal fraco na tensão de polarização zero, que analisaram ser devido à iluminação irregular do ponto do laser no canal que introduz a corrente fototérmica. Isto também pode ser atribuído ao efeito Dember causado pelos diferentes coeficientes de difusão de elétrons e buracos, levando ao campo elétrico embutido.
Os pesquisadores forneceram a maneira mais intuitiva e eficaz de exibir a região onde a fotocorrente é gerada por meio da digitalização de mapas de fotocorrentes, usados para validar sua explicação. Um sinal de fotocorrente fraco é emitido pelo dispositivo com polarização de 0 V, confirmando a explicação anterior. Aumentar a tensão de polarização em 0,01 V na mesma posição do canal revela uma expansão significativa da área fotossensível.
Este estudo desenvolveu com sucesso um fotodetector B-As capaz de resposta rápida à temperatura ambiente, demonstrando características excepcionais de resposta à luz de banda dupla. O detector exibiu um pico de fotorresponsividade de 387,3 mA·W
−1
em um comprimento de onda do infravermelho próximo de 825 nm sem a necessidade de polarização externa e alcançou uma alta detectividade de 1,37×10
8
Jones.
O mecanismo de resposta através do espectro visível ao infravermelho é atribuído principalmente ao efeito fotocondutor. Estes resultados não apenas confirmam o desempenho fotoelétrico superior do B-As como um semicondutor de banda estreita, mas também mostram seu desempenho comparável ao do fósforo preto (BP), indicando um potencial significativo para aplicação em dispositivos optoeletrônicos de alta velocidade. Mais importante ainda, as capacidades de detecção de banda dupla demonstradas nesta pesquisa estabelecem uma base sólida para o desenvolvimento futuro de tecnologias de fotodetecção de banda larga em temperatura ambiente.
