Estratégias de projeto para fotodetectores de materiais 2D aprimorados por plasmon
(A) Ilustração de um fotodetector híbrido Au-grafeno. (B) Aumento da responsividade do fotodetector de grafeno com nanopartículas de Au. (C) Esquema de um fotodetector de grafeno integrado com nanoeletrodos de Au. (D) A distribuição de densidade de corrente no fotodetector de grafeno integrado com nanoeletrodos de Au. A parte inferior está o modelo de circuito equivalente do dispositivo. (E) O mapa de fototensão de um fotodetector de grafeno integrado com nanoeletrodos de Au. (F) O mapa de fototensão de um fotodetector de grafeno sem nanoeletrodos de Au. (G) Esquema de uma bicamada MoS2 fotodetector integrado com fios Au assimétricos. (H) Responsividade experimental e simulada sob diferentes tensões de polarização. O diagrama de banda da direita ilustra o movimento de elétrons quentes sob diferentes tensões de polarização. (I) Esquema de uma monocamada MoS2 fotodetector incorporando uma estrutura de grade de nanopartículas. (J) Fotocorrente de um MoS nu2 fotodetector e MoS híbrido2 fotodetector integrado com diferentes nanoestruturas plasmônicas. (K) O esquema de um MoS plasmônico sintonizável por porta fototransistores (photoFETs) integrados com matrizes de nanodiscos Ag. (L) Espectros de fotorresponsividade de um MoS intocado2 photoFET e photoFET plasmônico. Crédito:Dispositivos Avançados e Instrumentação Semicondutores tradicionais como Si, GaAs e HgCdTe parecem incapazes de atender à tendência de desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que apresentam volume ultrapequeno, peso leve e baixo consumo de energia. Essas limitações dos semicondutores tradicionais decorrem principalmente de condições complexas de crescimento e ambientes de trabalho de baixa temperatura.
Nos últimos anos, novos materiais bidimensionais (2D) forneceram oportunidades decentes para desenvolver fotodetectores de temperatura ambiente, alta velocidade, ultrassensíveis e de banda larga devido às suas estruturas únicas e excelentes características físicas. No entanto, a espessura atômica dos materiais 2D inevitavelmente trouxe o problema da baixa absorção de luz.
Uma solução promissora é a combinação de nanomateriais plasmônicos com materiais 2D para melhorar a interação luz-matéria, que já se tornou um foco de pesquisa. A excitação de plasmons de superfície em metais nobres permite campos eletromagnéticos amplificados localmente que podem melhorar a absorção de luz em semicondutores próximos em ordens de grandeza. Além disso, o decaimento dos plasmons de superfície gera efetivamente portadores quentes com alta energia.
Os portadores quentes injetados em materiais 2D não apenas aumentam a fotocorrente coletada pelos eletrodos, mas também expandem os comprimentos de onda detectáveis além do bandgap do semicondutor.
Para compreender essas estruturas e mecanismos híbridos, é necessária uma visão sistemática para extrair e resumir as estratégias de projeto de fotodetectores de materiais 2D aprimorados por plasmon, que podem fornecer orientação abrangente para esclarecer as vantagens e desvantagens de cada estratégia e, assim, otimizar a assistência assistida por plasmon. fotodetecção em trabalhos futuros.
Um grupo de pesquisa da Southeast University forneceu uma visão geral detalhada dos fotodetectores de materiais 2D aprimorados por plasmon, focando principalmente no esclarecimento de diferentes modos de hibridização entre nanoestruturas plasmônicas e materiais 2D. Os mecanismos de fotodetecção aprimorada por plasmons foram introduzidos na primeira seção.
Em seguida, eles discutiram diferentes modos de acoplamento relacionados à estrutura dos sistemas híbridos, que são classificados aproximadamente em modo guiado por LSPR, modo guiado por SPP e outros modos fotônicos híbridos, respectivamente. Finalmente, descreveram brevemente os problemas que ainda precisam ser resolvidos e possíveis direções em trabalhos de pesquisa futuros.
Nesta revisão, são resumidas as atuais estratégias de projeto adotadas para a atualização do aprimoramento plasmônico em fotodetectores de materiais 2D. Nanoestruturas plasmônicas são amplamente empregadas com base em efeitos plasmônicos induzidos por LSPR, seja na forma de nanoestruturas plasmônicas de camada única trabalhando em diferentes modos (como contato direto, modo separado ou incorporado) ou ressonadores plasmônicos acoplados a cavidades que suportam plasmônicos de modo gap. ressonância.
São discutidos os principais fatores que podem influenciar a interação luz-matéria e as características de transporte de transportadores nos fotodetectores híbridos, incluindo materiais, formas, arranjos e posicionamentos de nanoestruturas plasmônicas.
Além disso, estruturas plasmônicas padronizadas, como listras, nanogaps e grades, suportam a propagação de ondas SPP que estão confinadas no campo próximo da superfície metálica, facilitando o acoplamento de energia aprimorado entre metal e materiais 2D dentro de uma longa distância de propagação.
Quando eletrodos metálicos baseados em SPP são empregados, a energia luminosa distante do canal de material 2D pode ser efetivamente coletada e absorvida. Além disso, o sinergismo de outras estruturas/materiais fotônicos funcionais e fotodetectores de materiais 2D aprimorados por plasmon também é introduzido, resultando em melhor desempenho e novas funcionalidades.
Fotodetectores de materiais 2D assistidos por plasmon, aprimorados pelas estratégias acima, possuem grande potencial para impulsionar avanços notáveis em amplos campos de aplicação.
São propostas várias direções de pesquisa potenciais que podem ser benéficas para o desenvolvimento futuro de fotodetectores de materiais 2D aprimorados por plasmon.
Primeiro, ainda existem muitos aspectos que valem a pena explorar sobre as estruturas plasmônicas. Apesar de os pesquisadores já terem estudado a influência de parâmetros estruturais (morfologia, distribuição de densidade, etc.) no desempenho de fotodetectores de materiais 2D, fatores internos como a qualidade do cristal ainda não foram totalmente explorados.
Em segundo lugar, as estratégias acima relataram vários mecanismos de trabalho diferentes dominados pelos materiais plasmónicos integrados, enquanto os modelos físicos correspondentes e as condições aplicáveis para estes efeitos plasmónicos não foram totalmente esclarecidos, o que é necessário para expandir estes conceitos fascinantes da investigação laboratorial para dispositivos comerciais.
Terceiro, a engenharia de interface entre metal e material 2D não foi totalmente explorada em estruturas híbridas de material plasmônico/2D.
O trabalho está publicado na revista Advanced Devices &Instrumentation .
