En los últimos años, la estructura excepcional y las fascinantes propiedades eléctricas y ópticas de los cristales en capas bidimensionales (2D) han atraído una amplia atención. Ejemplos de tales cristales incluyen grafeno, fósforo negro (BP) y dicalcogenuros de metales de transición (TMD).
Con su espesor atómico, su alta movilidad de portadores y sus bandas prohibidas sintonizables, estos materiales son inmensamente prometedores en diversas aplicaciones y continúan generando un gran interés en la comunidad científica. Grafeno, una estructura cristalina de átomos de carbono muy compactos conectados por sp 2 La hibridación forma una red de panal bidimensional de una sola capa y cuenta con una movilidad electrónica de hasta 2×10 5 . cm 2 ·V -1 ·s −1 .
Sin embargo, los portadores fotogenerados de corta duración del grafeno, atribuidos a su banda prohibida cero y a su absorción de luz extremadamente baja (2,3%), obstaculizan sus aplicaciones en dispositivos. Los dicalcogenuros de metales de transición presentan amplias bandas prohibidas y una movilidad del portador relativamente menor (<200 cm 2 ·V -1 ·s −1 ), lo que los hace inadecuados para aplicaciones en el campo de la detección optoelectrónica.
Debido a sus características únicas, el fósforo negro emerge como un material muy prometedor para los detectores de infrarrojos. En particular, exhibe una banda prohibida directa que va desde 0,34 eV en masa hasta 2,1 eV en forma monocapa. Además, según estudios anteriores, el fósforo negro posee una alta movilidad de portador de aproximadamente 1.000 cm 2 ·V -1 ·s −1 y una gran relación de encendido/apagado de 105. Estos atributos mejoran aún más el potencial del fósforo negro como material preferido para aplicaciones de detección infrarroja.
Desafortunadamente, el fósforo negro adolece de poca estabilidad y se degrada rápidamente en la atmósfera a temperatura ambiente, lo que limita sus aplicaciones prácticas. El arsénico negro (B-As), como homólogo del fósforo, comparte una estructura cristalina similar con el BP y se espera que exhiba un rendimiento eléctrico y óptico excelente, con una alta movilidad anticipada del portador (hasta 10 3 cm 2 ·V -1 ·s −1 ).
Como han indicado investigaciones anteriores, la banda prohibida de los B-A depende en gran medida del espesor del material. Específicamente, la banda prohibida indirecta de los B-A de una sola capa varía de aproximadamente 1 a 1,5 eV, mientras que los B-A a granel son un semiconductor de banda prohibida directa con una banda prohibida de aproximadamente 0,3 eV.
Estos hallazgos subrayan la importancia de considerar el espesor de la capa al estudiar las propiedades electrónicas y ópticas de los B-A, lo que demuestra el potencial de este material en diversas aplicaciones.
Ahora, un grupo de investigación ha diseñado un fotodetector de doble banda basado en fósforo negro para longitudes de onda visibles e infrarrojas. A temperatura ambiente, el equipo descubrió a través de las características de transferencia del dispositivo y las características de voltaje-corriente que el dispositivo preparado es un FET en modo de agotamiento de tipo n y exhibe un buen contacto óhmico.
La investigación se publica en la revista Advanced Devices &Instrumentation. .
Cuando la energía de los fotones láser incidentes es mayor que la banda prohibida de varias capas de B-As (hv> Eg), se pueden generar pares electrón-hueco fotoexcitados. Cuando el dispositivo B-As está en modo de polarización, el campo eléctrico aplicado separa efectivamente los pares electrón-hueco fotogenerados en la interfaz y los inyecta en el electrodo, generando así una fotocorriente. Los resultados de la investigación del equipo indican que el efecto fotoconductor es el principal mecanismo de respuesta a la luz del dispositivo B-As en las bandas de luz visible e infrarroja.
Durante el experimento, encontraron una señal débil con voltaje de polarización cero, que analizaron como debida a la iluminación desigual del punto láser en el canal que introduce la corriente fototérmica. Esto también puede atribuirse al efecto Dember causado por los diferentes coeficientes de difusión de electrones y huecos, lo que genera el campo eléctrico incorporado.
Los investigadores proporcionaron la forma más intuitiva y eficaz de mostrar la región donde se genera la fotocorriente mediante el escaneo de mapas de fotocorriente, utilizados para validar su explicación. El dispositivo emite una señal de fotocorriente débil con una polarización de 0 V, lo que confirma su explicación anterior. Aumentar el voltaje de polarización en 0,01 V en la misma posición del canal revela una expansión significativa del área fotosensible.
Este estudio ha desarrollado con éxito un fotodetector de B-As capaz de responder rápidamente a temperatura ambiente, demostrando características excepcionales de respuesta a la luz de doble banda. El detector exhibió una fotorespuesta máxima de 387,3 mA·W −1 a una longitud de onda del infrarrojo cercano de 825 nm sin necesidad de polarización externa y logró una alta detectividad de 1,37×10 8 Jones.
El mecanismo de respuesta en todo el espectro visible al infrarrojo se atribuye principalmente al efecto fotoconductor. Estos resultados no solo confirman el rendimiento fotoeléctrico superior de los B-A como semiconductor de banda prohibida estrecha, sino que también muestran su rendimiento comparable al del fósforo negro (BP), lo que indica un potencial significativo para su aplicación en dispositivos optoelectrónicos de alta velocidad. Lo más importante es que las capacidades de detección de banda dual demostradas en esta investigación sientan una base sólida para el desarrollo futuro de tecnologías de fotodetección de banda ancha a temperatura ambiente.
Más información: Xuyang Lv et al, Fotodetector de infrarrojo cercano y visible basado en arsénico negro, Dispositivos e instrumentación avanzados (2023). DOI:10.34133/adi.0012
Proporcionado por instrumentos y dispositivos avanzados
