Lưỡng cực hai chiềumáy dò quang tuyết lở
Bộ dò quang tuyết lở hai chiều lưỡng cực (Bộ tách sóng quang APD) đạt được độ nhiễu cực thấp và độ nhạy phát hiện cao
Phát hiện độ nhạy cao của một vài photon hoặc thậm chí photon đơn có triển vọng ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như hình ảnh ánh sáng yếu, cảm biến từ xa và đo từ xa, và truyền thông lượng tử. Trong số đó, bộ tách sóng quang tuyết lở (APD) đã trở thành một hướng quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu thiết bị quang điện tử do các đặc điểm về kích thước nhỏ, hiệu suất cao và dễ tích hợp. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) là một chỉ số quan trọng của bộ tách sóng quang APD, yêu cầu độ khuếch đại cao và dòng tối thấp. Nghiên cứu về tiếp giáp dị chất van der Waals của vật liệu hai chiều (2D) cho thấy triển vọng rộng lớn trong việc phát triển các APD hiệu suất cao. Các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc đã chọn vật liệu bán dẫn hai chiều lưỡng cực WSe₂ làm vật liệu nhạy sáng và chế tạo tỉ mỉ bộ tách sóng quang APD với cấu trúc Pt/WSe₂/Ni có hàm công tác phù hợp nhất, nhằm giải quyết vấn đề nhiễu khuếch đại vốn có của bộ tách sóng quang APD truyền thống.
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một bộ tách sóng quang tuyết lở dựa trên cấu trúc Pt/WSe₂/Ni, đạt được độ nhạy cao đối với các tín hiệu ánh sáng cực yếu ở mức fW ở nhiệt độ phòng. Họ đã chọn vật liệu bán dẫn hai chiều WSe₂, có tính chất điện tuyệt vời, và kết hợp vật liệu điện cực Pt và Ni để phát triển thành công một loại bộ tách sóng quang tuyết lở mới. Bằng cách tối ưu hóa chính xác sự khớp hàm công giữa Pt, WSe₂ và Ni, một cơ chế vận chuyển đã được thiết kế có thể chặn hiệu quả các hạt mang tối trong khi vẫn cho phép các hạt mang quang sinh đi qua một cách chọn lọc. Cơ chế này làm giảm đáng kể nhiễu quá mức do ion hóa va chạm hạt mang, cho phép bộ tách sóng quang đạt được khả năng phát hiện tín hiệu quang học có độ nhạy cao ở mức nhiễu cực thấp.
Sau đó, để làm rõ cơ chế đằng sau hiệu ứng tuyết lở do điện trường yếu gây ra, các nhà nghiên cứu ban đầu đã đánh giá tính tương thích của các hàm công thoát vốn có của các kim loại khác nhau với WSe₂. Một loạt các thiết bị kim loại-bán dẫn-kim loại (MSM) với các điện cực kim loại khác nhau đã được chế tạo và các thử nghiệm liên quan đã được tiến hành trên chúng. Ngoài ra, bằng cách giảm tán xạ hạt mang trước khi tuyết lở bắt đầu, tính ngẫu nhiên của ion hóa va chạm có thể được giảm thiểu, do đó giảm nhiễu. Do đó, các thử nghiệm liên quan đã được tiến hành. Để chứng minh thêm tính ưu việt của APD Pt/WSe₂/Ni về đặc tính đáp ứng thời gian, các nhà nghiên cứu đã đánh giá thêm băng thông -3 dB của thiết bị ở các giá trị khuếch đại quang điện khác nhau.
Kết quả thử nghiệm cho thấy đầu dò Pt/WSe₂/Ni có công suất nhiễu tương đương (NEP) cực thấp ở nhiệt độ phòng, chỉ 8,07 fW/√Hz. Điều này có nghĩa là đầu dò có thể phát hiện các tín hiệu quang cực yếu. Ngoài ra, thiết bị này có thể hoạt động ổn định ở tần số điều chế 20 kHz với độ lợi cao 5×10⁵, giải quyết thành công điểm nghẽn kỹ thuật của các đầu dò quang điện truyền thống vốn khó cân bằng giữa độ lợi cao và băng thông. Tính năng này được kỳ vọng sẽ mang lại những lợi thế đáng kể trong các ứng dụng đòi hỏi độ lợi cao và độ nhiễu thấp.
Nghiên cứu này chứng minh vai trò quan trọng của kỹ thuật vật liệu và tối ưu hóa giao diện trong việc nâng cao hiệu suất củabộ tách sóng quang. Nhờ thiết kế khéo léo các điện cực và vật liệu hai chiều, hiệu ứng che chắn của các hạt mang tối đã đạt được, giúp giảm đáng kể nhiễu và cải thiện hiệu quả phát hiện hơn nữa.
Hiệu suất của máy dò này không chỉ được thể hiện qua các đặc tính quang điện mà còn có triển vọng ứng dụng rộng rãi. Với khả năng chặn dòng điện tối hiệu quả ở nhiệt độ phòng và hấp thụ hiệu quả các hạt mang quang sinh ra, máy dò này đặc biệt phù hợp để phát hiện các tín hiệu ánh sáng yếu trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, quan sát thiên văn và truyền thông quang học. Thành tựu nghiên cứu này không chỉ cung cấp ý tưởng mới cho việc phát triển các máy dò quang vật liệu chiều thấp mà còn cung cấp tài liệu tham khảo mới cho nghiên cứu và phát triển trong tương lai các thiết bị quang điện tử hiệu suất cao và công suất thấp.
Thời gian đăng: 18-06-2025