يساعد التصوير الضوئي في تعزيز استجابة وسرعة الأنفاق غير المتجانسة كواشف ضوئية

الشكل 1 | سلوك النقل القابل للتعديل في هيكلنا ثنائي الأبعاد
كاشف. توضيح للتوازن بين الاستجابة والسرعة في كواشف الضوء من المواد ثنائية الأبعاد. للتغلب على هذا التوازن والدخول إلى المنطقة العليا اليسرى، نحتاج تقليديًا إلى زيادة استهلاك الطاقة، المشار إليه باللون الأحمر. مخطط نطاق الطاقة في الجانب السفلي الأيسر هو وضع الخلايا الشمسية لكاشف الضوء، والوسط هو وضع التوصيل الضوئي، والجانب العلوي الأيمن ينتمي إلى وضع التحكم الضوئي. هو طاقة الفوتون، هو تركيز الحاملات الناتجة عن الضوء، هو فجوة الطاقة، هو مستوى فيرمي للمادة، و هو المجال الكهربائي الخارجي. تمثل الألوان الخلفية المختلفة اتجاه التغير في استهلاك الطاقة المحتمل المطلوب للكواشف الضوئية ثنائية الأبعاد، والذي يزداد تدريجياً من اللون الأبيض في الزاوية السفلى اليمنى إلى اللون الأحمر في الزاوية العليا اليسرى من الشكل. مخطط لـ

النتائج

سلوك النقل القابل للتعديل حسب التحيز جهاز

التنقل المدعوم بالتصوير في جهاز

الشكل 2 | التوصيل عبر النفق المدعوم بالتصوير الهياكل غير المتجانسة. صور رسم خرائط التيار الضوئي المحللة مكانيًا عند (أ) و (ب) شريط المقياس هو . طول موج الإضاءة هو 532 نانومتر. الخطوط المتقطعة البيضاء والزرقاء والصفراء تشير إلى المناطق من وأقطاب معدنية، على التوالي. مخططات نطاق الطاقة لـ جهاز الهيكل غير المتجانس عند (ج) و (د) ، على التوالي. تشير السهم إلى اتجاه نقل الحاملات، ويمثل الخط الأفقي المتقطع مستوى فيرمي للمادة. e منحنيات الخرج ( في الظلام وتحت الإضاءة مع كثافات طاقة مختلفة. الضوء الساقط عند 532 نانومتر

علاقات سرعة الاستجابة جهاز

للنظر في علاقات الاستجابة والسرعة، نقوم بمزيد من تحليل الخصائص البصرية الكهربائية لـ أجهزة الهيكل غير المتجانس تحت إضاءة ضوء أحادي اللون (انظر التفاصيل في الملاحظة التكميلية 9). وفقًا للاستجابة الضوئية المعتمدة على القدرة، فإن الاستجابات، ، ضد كثافة الطاقة يتم الحصول عليها في أوقات مختلفة (الشكل 3أ). من الجدير بالذكر أنه يتم الحصول على استجابة عالية مع ( ) عندما يتم تطبيقه، وهو بأعداد مرتبة أعلى بكثير من ذلك في تحسين مماثل عند الإيجابية يلاحظ أيضًا في عدة أجهزة (الشكل 3ج). تقل القيم مع تعزيز قوة الضوء عند ، وعُزِيَت هذه الظاهرة عمومًا إلى تقصير عمر الحاملات الناتجة عن الضوء بسبب عمليات أوغر أو بسبب تشبع حالات الفخ تحت تدفق فوتوني عالٍ كثافات الطيف الضوضائي للجهاز هو

ب

د

ف

الشكل 3 | علاقات الاستجابة والسرعة لـ الهياكل غير المتجانسة. استجابات الأجهزة المستخرجة، (خطوط صلبة)، وكشفية، (خطوط منقطة)، عند و 1 فولت، على التوالي. اعتماد القوة المستخرجة على التيار الضوئي المقاس عند مستويات مختلفة . الخطوط الصلبة هي التناسب الأسي بين التيار الضوئي والقدرة الضوئية. ج توزيع الاستجابة للأجهزة ذات السماكات المختلفة. WSe : الجهاز 1 (D1): ; D2: ; D3: 35/ 23 نانومتر ; D4: ; D5: ; D6: . تشير المنطقة المظللة المختلفة إلى ظروف الانحياز الإيجابي والسالب. د زمن استجابة الأجهزة ذات السماكات المختلفة. هـ الاستجابة النسبية مع تردد التعديل
تم قياسه للجهاز 6. الإطار: التيار المعتمد على الزمن للجهاز. يتم تعريفه على أنه تردد تعديل الليزر عندما ينخفض التيار الضوئي إلى 0.707 من القيمة القصوى. مقارنة الأداء مع التقارير السابقة (البيضاوي الرمادي). يجب أن تشير تفاصيل المراجع المذكورة إلى الشكل التكميلية 18. تتضمن الهياكل غير المتجانسة ذات السماكات المختلفة. من بين الأجهزة التي تلبي حد السرعة البالغ 1 مللي ثانية (الخط المتقطع العمودي) لتطبيقات التصوير، تُظهر دراستنا كلاً من الاستجابة العالية، والاستجابة السريعة، واستهلاك الطاقة المنخفض.
مستمدة من التيارات المظلمة ذات الزمن المحدد (الملاحظة التكميلية 11)، وتظهر نتائج الحساسية النوعية المقابلة اتجاهات مماثلة كما (الشكل 3أ). بالإضافة إلى ذلك، من خلال ملاءمة التيارات الضوئية المعتمدة على القدرة مع علاقة قانون القدرة، (الشكل 3ب)، الـ مناسب أن يكون 0.879 عند ، في تناقض صارخ، هو 0.07 عند مما يعني أن المزيد من الفخاخ أو مراكز إعادة التركيب تشارك في الاستجابة الضوئية تحت تأثير إيجابي أكثر من السلبية وفقًا للتقارير السابقة، هناك تبادل تجاري ناتج عن الفخ بين الاستجابة وسرعة الاستجابة (إذا كان تأثير الفوتوغيتينغ يلعب دورًا رئيسيًا). . ومع ذلك، في جهازنا، يتم التغلب على هذا التحدي من خلال تنظيم الانحياز بشكل كبير، أي أن الجهاز لا يقتصر فقط على
تحسن الاستجابة بمقدار ثلاثة أوامر من حيث الحجم عند تطبيق جهد +1 فولت مقارنةً بجهد -1 فولت، كما يتحسن سرعة الاستجابة بمقدار أمر واحد (الشكل 3c، d) في الوقت نفسه. تكشف هذه الظواهر أن قيود السرعة في تأثير الفوتوغيت الناتج عن العيوب قد تم التخفيف منها عند الجهد الإيجابي. . تم العثور على ظواهر مماثلة أيضًا تحت إضاءة أطوال موجية أخرى (مثل 532 و 635 نانومتر في الملاحظة التكميلية 10). ومن الجدير بالذكر أن تردد القطع 3 ديسيبل المقاس للأجهزة يمكن أن يصل إلى قيمة عالية من في (الشكل 3e). يُقدّر وقت استجابة الجهاز بـ بواسطة المعادلة: ، حيث هو وقت استجابة الجهاز، والقدرة الاستجابية المقابلة هي في (التفاصيل موضحة في

نقاش

طرق

تصنيع الأجهزة

توصيف الهياكل غير المتجانسة

القياسات البصرية الكهربائية

رسم خرائط التيار الضوئي

توصيف حساس للاستقطاب

حسابات DFT

توفر البيانات

References

1. Sun, C. et al. Single-chip microprocessor that communicates directly using light. Nature 528, 534-538(2015).
2. Elshaari, A. W., Pernice, W., Srinivasan, K., Benson, O. & Zwiller, V. Hybrid integrated quantum photonic circuits. Nat. Photon. 14, 285-298 (2020).
3. Maiti, R. et al. Strain-engineered high-responsivity photodetector for silicon photonic integrated circuits. Nat. Photon. 14, 578-584 (2020).
4. Yang, Z., Albrow-Owen, T., Cai, W. & Hasan, T. Miniaturization of optical spectrometers. Science 371, eabeO722 (2021).
5. Xu, X. et al. Self-calibrating programmable photonic integrated circuits. Nat. Photon. 16, 595-602 (2022).
6. Tian, R. et al. Chip-integrated van der Waals PN heterojunction photodetector with low dark current and high responsivity. Light Sci. Appl. 11, 101 (2022).
7. Hui, Y., Gomez-Diaz, J. S., Qian, Z., Alù, A. & Rinaldi, M. Plasmonic piezoelectric nanomechanical resonator for spectrally selective infrared sensing. Nat. Commun. 7, 11249 (2016).
8. Qian, Z. et al. Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced micromechanical photoswitches. Nat. Nanotechnol. 12, 969-973 (2017).
9. Wei, J. et al. Zero-bias mid-infrared graphene photodetectors with bulk photoresponse and calibration-free polarization detection. Nat. Commun. 11, 6404 (2020).
10. Bullock, J. et al. Polarization-resolved black phosphorus/molybdenum disulfide mid-wave infrared photodiodes with high detectivity at room temperature. Nat. Photon. 12, 601-607 (2018).
11. Akinwande, D. et al. Graphene and two-dimensional materials for silicon technology. Nature 573, 507-518 (2019).
12. Romagnoli, M. et al. Graphene-based integrated photonics for nextgeneration datacom and telecom. Nat. Rev. Mater. 3, 392-414 (2018).
13. Zhang, Z. et al. All-in-one two-dimensional retinomorphic hardware device for motion detection and recognition. Nat. Nanotechnol. 17, 27-32 (2022).
14. Lin, K.-T., Chen, H.-L., Lai, Y.-S. & Yu, C.-C. Silicon-based broadband antenna for high responsivity and polarization-insensitive photodetection at telecommunication wavelengths. Nat. Commun. 5, 3288 (2014).
15. Lischke, S. et al. Ultra-fast germanium photodiode with 3-dB bandwidth of 265 GHz. Nat. Photon. 15, 925-931 (2021).
16. Miyazaki, H. T. et al. Synchronously wired infrared antennas for resonant single-quantum-well photodetection up to room temperature. Nat. Commun. 11, 565 (2020).
17. Novoselov, K. S., Mishchenko, A., Carvalho, A. & Castro Neto, A. H. 2D materials and van der Waals heterostructures. Science 353, aac9439 (2016).
18. Guo, Z. et al. In-situ neutron-transmutation for substitutional doping in 2D layered indium selenide based phototransistor. eLight 2, 9 (2022).
19. Lee, D. et al. Hyperbolic metamaterials: fusing artificial structures to natural 2D materials. eLight 2, 1 (2022).
20. Konstantatos, G. et al. Hybrid graphene-quantum dot phototransistors with ultrahigh gain. Nat. Nanotechnol. 7, 363-368 (2012).
21. Lopez-Sanchez, O., Lembke, D., Kayci, M., Radenovic, A. & Kis, A. Ultrasensitive photodetectors based on monolayer . Nat. Nanotechnol. 8, 497-501 (2013).
22. Huo, N. & Konstantatos, G. Ultrasensitive all-2D MoS phototransistors enabled by an out-of-plane pn homojunction. Nat. Commun. 8, 572 (2017).
23. Lee, S.-J. et al. Lead halide perovskite sensitized photodiodes with ultrahigh open circuit voltages. eLight 3, 8 (2023).
24. Buscema, M. et al. Photocurrent generation with two-dimensional van der Waals semiconductors. Chem. Soc. Rev. 44, 3691-3718 (2015).
25. Nikitskiy, I. et al. Integrating an electrically active colloidal quantum dot photodiode with a graphene phototransistor. Nat. Commun. 7, 11954 (2016).
26. Ghosh, S., Varghese, A., Thakar, K., Dhara, S. & Lodha, S. Enhanced responsivity and detectivity of fast phototransistor using electrostatically tunable in-plane lateral p-n homojunction. Nat. Commun. 12, 3336 (2021).
27. Flöry, N. et al. Waveguide-integrated van der Waals heterostructure photodetector at telecom wavelengths with high speed and high responsivity. Nat. Nanotechnol. 15, 118-124 (2020).
28. Jiang, H. et al. Ultrasensitive and fast photoresponse in graphene/ silicon-on-insulator hybrid structure by manipulating the photogating effect. Nanophotonics 9, 3663-3672 (2020).
29. Cao, G., Chen, G. & Li, X. Core-shell single-nanowire photodetector with radial carrier transport: an opportunity to break the
    responsivity-speed trade-off. Adv. Electron. Mater. 7, 2000920 (2021).
30. Wang, C. et al. Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages. Nature 562, 101-104 (2018).
31. International technology roadmap for semiconductors. http:// www.itrs.net/.
32. Wei, J., Xu, C., Dong, B., Qiu, C.-W. & Lee, C. Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition. Nat. Photon. 15, 614-621 (2021).
33. Ni, Y. et al. Computational spectropolarimetry with a tunable liquid crystal metasurface. eLight 2, 23 (2022).
34. Nakano, A. et al. Antiferroelectric distortion with anomalous phonon softening in the excitonic insulator . Phys. Rev. B. 98, 045139 (2018).
35. Di Salvo, F. J. et al. Physical and structural properties of the new layered compounds and . J. Less Common Met. 116, 51-61 (1986).
36. Watson, M. D. et al. Band hybridization at the semimetalsemiconductor transition of enabled by mirror-symmetry breaking. Phys. Rev. Res. 2, 013236 (2020).
37. Qiao, J. et al. Highly in-plane anisotropic two-dimensional ternary for polarization-sensitive photodetectors. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 17948-17956 (2021).
38. Jog, H., Harnagea, L., Mele Eugene, J. & Agarwal, R. Exchange coupling-mediated broken symmetries in revealed from quadrupolar circular photogalvanic effect. Sci. Adv. 8, eabl9020 (2022).
39. Lu, Y. F. et al. Zero-gap semiconductor to excitonic insulator transition in . Nat. Commun. 8, 14408 (2017).
40. Qiao, J. et al. Perovskite quantum dot- mixed-dimensional van der Waals heterostructures for high-performance near-infrared photodetection. Adv. Funct. Mater. 32, 2110706 (2022).
41. Zhou, H. et al. Large area growth and electrical properties of p-type atomic layers. Nano Lett. 15, 709-713 (2015).
42. Jung, Y. et al. Transferred via contacts as a platform for ideal twodimensional transistors. Nat. Electron. 2, 187-194 (2019).
43. Hong, . et al. Ultrafast charge transfer in atomically thin heterostructures. Nat. Nanotechnol. 9, 682-686 (2014).
44. Li, L. et al. Ternary flakes for a high-performance infrared photodetector. Adv. Funct. Mater. 26, 8281-8289 (2016).
45. Zhou, X. et al. Tunneling diode based on heterostructure incorporating high detectivity and responsivity. Adv. Mater. 30, 1703286 (2018).
46. Liu, C.-H., Chang, Y.-C., Norris, T. B. & Zhong, Z. Graphene photodetectors with ultra-broadband and high responsivity at room temperature. Nat. Nanotechnol. 9, 273-278 (2014).
47. Wang, Q. et al. Nonvolatile infrared memory in van der Waals heterostructures. Sci. Adv. 4, eaap7916 (2018).
48. Mak, K. F., Lee, C., Hone, J., Shan, J. & Heinz, T. F. Atomically thin : a new direct-gap semiconductor. Phy. Rev. Lett. 105, 136805 (2010).
49. Zhu, X., Li, F., Wang, Y., Qiao, M. & Li, Y. monolayer: a novel two-dimensional material with excellent electronic, transport, and optical properties. J. Mater. Chem. C. 6, 4494-4500 (2018).
50. McDonnell, S. et al. Hole contacts on transition metal dichalcogenides: interface chemistry and band alignments. ACS Nano 8, 6265-6272 (2014).
51. Nassiri Nazif, K. et al. High-specific-power flexible transition metal dichalcogenide solar cells. Nat. Commun. 12, 7034 (2021).
52. Zhang, Y. et al. Ultra-broadband photodetection based on twodimensional layered with strong anisotropy and high responsivity. Mater. Des. 208, 109894 (2021).
53. Tao, L., Chen, Z., Li, X., Yan, K. & Xu, J.-B. Hybrid graphene tunneling photoconductor with interface engineering towards fast photoresponse and high responsivity. npj 2D Mater. Appl. 1, 19 (2017).
54. Wu, F. et al. AsP/InSe van der Waals tunneling heterojunctions with ultrahigh reverse rectification ratio and high photosensitivity. Adv. Funct. Mater. 29, 1900314 (2019).
55. Sze, S. M., Li, Y., Ng, K. K. Physics of semiconductor devices (John Wiley & Sons, 2021).
56. Seeger K. Semiconductor physics (Springer Science & Business Media, 2013).
57. Koppens, F. H. L. et al. Photodetectors based on graphene, other two-dimensional materials and hybrid systems. Nat. Nanotechnol. 9, 780-793 (2014).
58. Feng, S. et al. An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor. Nat. Commun. 12, 4094 (2021).
59. Liu, Y., Stradins, P., Wei, S.-H. Van der Waals metal-semiconductor junction: weak Fermi level pinning enables effective tuning of Schottky barrier. Sci. Adv. 2, e1600069 (2016).
60. Kong, L. et al. Doping-free complementary circuit via van der Waals metal integration. Nat. Commun. 11, 1866 (2020).
61. Yang, Z. et al. Single-nanowire spectrometers. Science 365, 1017-1020 (2019).
62. Yuan, S., Naveh, D., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Xia, F. A wavelength-scale black phosphorus spectrometer. Nat. Photon. 15, 601-607 (2021).
63. Ma, C. et al. Intelligent infrared sensing enabled by tunable moiré quantum geometry. Nature 604, 266-272 (2022).
64. Wang, F., Zhang, T., Xie, R., Wang, Z. & Hu, W. How to characterize figures of merit of two-dimensional photodetectors. Nat. Commun. 14, 2224 (2023).
65. Kresse, G. & Joubert, D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Phys. Rev. B. 59, 1758-1775 (1999).
66. Grimme, S., Antony, J., Ehrlich, S. & Krieg, H. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu. J. Chem. Phys. 132, 154104 (2010).
67. Perdew, J. P., Burke, K. & Ernzerhof, M. Generalized gradient approximation made simple. Phy. Rev. Lett. 78, 1396-1396 (1997).
68. Fox, M. Optical properties of solids. Am. J. Phys. 70, 1269-1270 (2002).

شكر وتقدير

مساهمات المؤلفين

المصالح المتنافسة

معلومات إضافية

Photogating-assisted tunneling boosts the responsivity and speed of heterogeneous photodetectors

Fig. 1 | Bias-tunable transport behavior in our 2D heterostructure photo-
detector. a Illustration of the trade-off between the responsivity and speed in 2D materials photodetectors. To overcome the trade-off and enter the upper left area, we conventionally need to increase the power consumption, denoted by the red shade. The energy band diagram on the lower left side is the photovoltaic mode of photodetector, the middle is the photoconductive mode, and the upper right side belongs to photogating mode. Where is the photon energy, is the photogenerated carrier concentration, is the bandgap, is the Fermi level of the material, and is the external electric field. Different background colors represent the variation trend of possible required power consumption of 2D photodetectors, which increases gradually from the white color at the lower right corner to the red color at the upper left corner of figure. Schematic of a

Results

Bias-tunable transport behavior of device