Hoogwaardige zelfrijdende autoinfrarood fotodetector
infraroodfotodetectorHet beschikt over de kenmerken van een sterk storingsbestendig vermogen, een sterk doelherkenningsvermogen, werking onder alle weersomstandigheden en goede camouflage. Het speelt een steeds belangrijkere rol in gebieden zoals de geneeskunde, het leger, de ruimtevaarttechnologie en de milieutechniek. Onder deze toepassingen is de zelfaangedreven technologie een prominent voorbeeld.foto-elektrische detectieChips die onafhankelijk van een externe voeding kunnen werken, hebben in de infrarooddetectie veel aandacht gekregen vanwege hun unieke eigenschappen (zoals energieonafhankelijkheid, hoge gevoeligheid en stabiliteit, enz.). Traditionele foto-elektrische detectiechips, zoals op silicium of smalbandhalfgeleiders gebaseerde infraroodchips, vereisen daarentegen niet alleen extra bias-spanningen om de scheiding van fotogegenereerde ladingsdragers te bewerkstelligen en fotostromen te produceren, maar ook extra koelsystemen om thermische ruis te verminderen en de responsiviteit te verbeteren. Daarom is het lastig geworden om te voldoen aan de nieuwe concepten en eisen van de volgende generatie infrarooddetectiechips, zoals een laag energieverbruik, een klein formaat, lage kosten en hoge prestaties.
Recent hebben onderzoeksteams uit China en Zweden een nieuwe, zelfaangedreven foto-elektrische detectiechip voor kortgolvig infrarood (SWIR) voorgesteld, gebaseerd op een combinatie van grafeen-nanolint (GNR)-films, aluminiumoxide en een siliciumkristal. Door het gecombineerde effect van de optische gating, veroorzaakt door de heterogene interface, en het ingebouwde elektrische veld, vertoonde de chip een extreem hoge respons en detectieprestaties bij een bias-spanning van nul. De foto-elektrische detectiechip heeft een responsfrequentie van maar liefst 75,3 A/W in de zelfaangedreven modus, een detectiesnelheid van 7,5 × 10¹⁴ Jones en een extern kwantumrendement van bijna 104%, waarmee de detectieprestaties van vergelijkbare siliciumchips met maar liefst 7 ordes van grootte worden verbeterd. Bovendien zijn de responsfrequentie, detectiesnelheid en het externe kwantumrendement van de chip in de conventionele aansturingsmodus respectievelijk maar liefst 843 A/W, 10¹⁵ Jones en 105%, allemaal de hoogste waarden die tot nu toe in onderzoek zijn gerapporteerd. Tegelijkertijd toonde dit onderzoek ook de praktische toepassing van de foto-elektrische detectiechip aan op het gebied van optische communicatie en infraroodbeeldvorming, waarmee het enorme toepassingspotentieel ervan werd benadrukt.
Om de foto-elektrische prestaties van de fotodetector op basis van grafeen-nanolinten/Al₂O₃/monokristallijn silicium systematisch te bestuderen, hebben onderzoekers de statische (stroom-spanningscurve) en dynamische karakteristieke responsen (stroom-tijdcurve) getest. Om de optische respons van de fotodetector met een heterostructuur van grafeen-nanolinten/Al₂O₃/monokristallijn silicium onder verschillende bias-spanningen systematisch te evalueren, hebben onderzoekers de dynamische stroomrespons van het apparaat gemeten bij bias-spanningen van 0 V, -1 V, -3 V en -5 V, met een optische vermogensdichtheid van 8,15 μW/cm². De fotostroom neemt toe met de omgekeerde bias en vertoont een snelle respons bij alle bias-spanningen.
Ten slotte hebben de onderzoekers een beeldvormingssysteem ontwikkeld en met succes zelfvoorzienende beeldvorming van kortgolvig infrarood gerealiseerd. Het systeem werkt zonder voorspanning en heeft geen energieverbruik. De beeldvormingscapaciteit van de fotodetector werd geëvalueerd met behulp van een zwart masker met een "T"-patroon (zoals weergegeven in Figuur 1).
Samenvattend heeft dit onderzoek met succes zelfvoorzienende fotodetectoren op basis van grafeen-nanolinten vervaardigd en een recordhoge responsfrequentie behaald. Tegelijkertijd hebben de onderzoekers met succes de optische communicatie- en beeldvormingsmogelijkheden van deze detectoren aangetoond.zeer gevoelige fotodetectorDeze onderzoeksuitkomst biedt niet alleen een praktische aanpak voor de ontwikkeling van grafeen-nanolinten en op silicium gebaseerde opto-elektronische apparaten, maar toont ook hun uitstekende prestaties aan als zelfvoorzienende fotodetectoren voor kortgolvig infrarood licht.
Geplaatst op: 28 april 2025