Het Centrum voor Geïntegreerde Nanostructuurfysica, binnen het Institute for Basic Science (IBS) heeft 's werelds dunste fotodetector ontwikkeld, dat is een apparaat dat licht omzet in elektrische stroom. Met een dikte van slechts 1,3 nanometer - 10 keer kleiner dan de huidige standaard siliciumdiodes - zou dit apparaat kunnen worden gebruikt in het internet der dingen, slimme apparaten, draagbare elektronica en foto-elektronica. Deze 2D-technologie, gepubliceerd op Natuurcommunicatie , gebruikt molybdeendisulfide (MoS2) ingeklemd in grafeen.

Grafeen is een fantastisch materiaal:het is geleidend, dun (slechts één atoom dik), transparant en flexibel. Echter, aangezien het zich niet als een halfgeleider gedraagt, de toepassing ervan in de elektronica-industrie is beperkt. Daarom, om de bruikbaarheid van grafeen te vergroten, IBS-wetenschappers hebben een laag van de 2D-halfgeleider MoS2 tussen twee grafeenplaten ingeklemd en over een siliciumbasis geplaatst. Ze dachten aanvankelijk dat het resulterende apparaat te dun was om een ​​elektrische stroom op te wekken, maar, onverwacht, het deed. "Een apparaat met één laag MoS2 is te dun om een ​​conventionele pn-overgang te genereren, waar positieve (p) ladingen en negatieve (n) ladingen gescheiden zijn en een intern elektrisch veld kunnen creëren. Echter, als we er licht op schijnen, we hebben een hoge fotostroom waargenomen. Het was verrassend! Aangezien het geen klassieke pn-overgang kan zijn, we dachten het verder te onderzoeken, " legt YU Woo Jong uit, eerste auteur van deze studie.

Om te begrijpen wat ze vonden, de onderzoekers vergeleken apparaten met één en zeven lagen MoS2 en testten hoe goed ze zich gedragen als een fotodetector, dat is, hoe ze licht kunnen omzetten in elektrische stroom. Ze ontdekten dat het apparaat met één laag MoS2 minder licht absorbeert dan het apparaat met zeven lagen, maar het heeft een hogere fotoresponsiviteit. "Gewoonlijk is de fotostroom evenredig met de fotoabsorptie, dat is, als het apparaat meer licht absorbeert, het moet meer elektriciteit opwekken, maar in dit geval zelfs als het MoS2-apparaat met één laag een kleinere absorptie heeft dan het MoS2-apparaat met zeven lagen het produceert zeven keer meer fotostroom, " beschrijft Yu.

De monolaag is dunner en daardoor gevoeliger voor de omgeving:de onderste SiO2-laag verhoogt de energiebarrière, terwijl de lucht bovenop het vermindert, dus hebben elektronen in het monolaagapparaat een grotere kans om van de MoS2-laag naar het bovenste grafeen (GrT) te tunnelen. De energiebarrière op de kruising GrT/MoS2 is lager dan die op de GrB/MoS2 dus de aangeslagen elektronen gaan bij voorkeur over naar de GrT-laag en creëren een elektrische stroom. Omgekeerd, in het meerlaagse MoS2-apparaat, de energiebarrières tussen GrT/MoS2 en GrB/MoS2 zijn symmetrisch, daarom hebben de elektronen dezelfde kans om beide kanten op te gaan en dus de gegenereerde stroom te verminderen.

Stel je een groep mensen voor in een vallei omringd door twee bergen. De groep wil naar de andere kant van de bergen, maar zonder al te veel moeite te doen. In één geval (het zevenlaagse MoS2-apparaat), beide bergen hebben dezelfde hoogte, dus welke berg ook wordt overgestoken, de inspanning zal hetzelfde zijn. Daarom steekt de helft van de groep de ene berg over en de andere helft de tweede berg.

In het tweede geval (analoog aan het éénlaagse MoS2-apparaat), de ene berg is hoger dan de andere, dus de meerderheid van de groep besluit de kleinere berg over te steken. Echter, omdat we kwantumfysica overwegen in plaats van klassiek elektromagnetisme, ze hoeven de berg niet te beklimmen totdat ze de top hebben bereikt (zoals ze zouden moeten doen met klassieke natuurkunde), maar ze kunnen wel door een tunnel. Hoewel elektronentunnelen en het lopen van een tunnel in een berg natuurlijk heel verschillend zijn, het idee is dat elektrische stroom wordt gegenereerd door de stroom van elektronen, en het dunnere apparaat kan meer stroom genereren omdat er meer elektronen in dezelfde richting stromen.

Werkelijk, wanneer licht wordt geabsorbeerd door het apparaat en MoS2-elektronen in een aangeslagen toestand springen, ze laten de zogenaamde gaten achter. Gaten gedragen zich als positieve mobiele ladingen en zijn in wezen posities die leeg zijn gelaten door elektronen die genoeg energie hebben geabsorbeerd om naar een hogere energiestatus te springen. Een ander probleem van het dikkere apparaat is dat elektronen en gaten te langzaam door de overgangen tussen grafeen en MoS2 bewegen. wat leidt tot hun ongewenste recombinatie binnen de MoS2-laag.

Om deze redenen, tot 65% van de fotonen die door het dunnere apparaat worden geabsorbeerd, wordt gebruikt om een ​​stroom op te wekken. In plaats daarvan, dezelfde meting (kwantumefficiëntie) is slechts 7% voor het zevenlaagse MoS2-apparaat.

"Dit apparaat is transparant, flexibel en vereist minder stroom dan de huidige 3D silicium halfgeleiders. Als toekomstig onderzoek succesvol is, het zal de ontwikkeling van 2D foto-elektrische apparaten versnellen, ’ legt de professor uit.