Wetenschap
Ontwerpstrategieën voor met plasmon versterkte 2D-materiaalfotodetectoren
Traditionele halfgeleiders zoals Si, GaAs en HgCdTe lijken niet in staat om te voldoen aan de ontwikkelingstrend van elektronische apparaten met een ultraklein volume, lichtgewicht en laag stroomverbruik. Deze beperkingen van traditionele halfgeleiders komen voornamelijk voort uit complexe groeiomstandigheden en werkomgevingen met lage temperaturen.
De afgelopen jaren hebben nieuwe tweedimensionale (2D) materialen behoorlijke mogelijkheden geboden om kamertemperatuur-, hogesnelheids-, ultragevoelige en breedbandfotodetectoren te ontwikkelen vanwege hun unieke structuren en uitstekende fysieke kenmerken. De atomaire dikte van 2D-materialen heeft echter onvermijdelijk het probleem van de lage lichtabsorptie met zich meegebracht.
Een veelbelovende oplossing is de combinatie van plasmonische nanomaterialen met 2D-materialen voor verbeterde licht-materie-interactie, wat al een onderzoeksfocus is geworden. De excitatie van oppervlakteplasmonen in edelmetalen maakt lokaal versterkte elektromagnetische velden mogelijk die de lichtabsorptie in nabijgelegen halfgeleiders met ordes van grootte kunnen verbeteren. Bovendien genereert het verval van oppervlakteplasmonen effectief hete dragers met hoge energie.
De hete dragers die in 2D-materialen worden geïnjecteerd, vergroten niet alleen de fotostroom die door de elektroden wordt verzameld, maar breiden ook de detecteerbare golflengten uit voorbij de bandafstand van de halfgeleider.
Om deze hybride structuren en mechanismen te begrijpen, is een systematisch overzicht nodig om de ontwerpstrategieën van plasmon-verbeterde 2D-materiaalfotodetectoren te extraheren en samen te vatten, wat uitgebreide richtlijnen kan bieden voor het verduidelijken van de voor- en nadelen van elke strategie en daardoor het optimaliseren van plasmon-ondersteunde fotodetectie in toekomstig werk.
Een onderzoeksgroep van de Southeast University gaf een gedetailleerd overzicht van met plasmon versterkte fotodetectoren voor 2D-materiaal, waarbij de nadruk vooral lag op de verduidelijking van verschillende hybridisatiemodi tussen plasmonische nanostructuren en 2D-materialen. De mechanismen van plasmon-versterkte fotodetectie werden geïntroduceerd in het eerste deel.
Vervolgens bespraken ze verschillende structuurgerelateerde koppelingsmodi van de hybride systemen, die grofweg worden geclassificeerd in respectievelijk LSPR-geleide modus, SPP-geleide modus en andere hybride fotonische modi. Ten slotte schetsten ze kort de problemen die nog moesten worden aangepakt en mogelijke richtingen voor toekomstig onderzoekswerk.
In deze review worden de huidige ontwerpstrategieën samengevat die worden toegepast voor de actualisatie van plasmonische verbetering in 2D-materiaalfotodetectoren. Plasmonische nanostructuren worden op grote schaal gebruikt op basis van door LSPR geïnduceerde plasmonische effecten, hetzij in de vorm van enkellaags plasmonische nanostructuren die in verschillende modi werken (zoals direct contact, gescheiden of ingebedde modus) of holte-gekoppelde plasmonische resonatoren die plasmonische plasmonische resonatoren in de gap-modus ondersteunen. resonantie.
Sleutelfactoren die de interactie tussen licht en materie en de eigenschappen van dragertransport in de hybride fotodetectoren kunnen beïnvloeden, worden besproken, waaronder materialen, vormen, arrangementen en plaatsingen van plasmonische nanostructuren.
Bovendien ondersteunen plasmonische structuren met patronen, zoals strepen, nanogaps en roosters, de zich voortplantende SPP-golven die zijn opgesloten in het nabije veld van het metaaloppervlak, waardoor de verbeterde energiekoppeling tussen metaal en 2D-materialen binnen een lange voortplantingsafstand wordt vergemakkelijkt.
Wanneer op SPP gebaseerde metalen elektroden worden gebruikt, kan lichtenergie ver van het 2D-materiaalkanaal effectief worden verzameld en geabsorbeerd. Bovendien wordt ook het synergisme van andere functionele fotonische structuren/materialen en met plasmon versterkte 2D-materiaalfotodetectoren geïntroduceerd, wat resulteert in verbeterde prestaties en nieuwe functionaliteiten.
Plasmon-ondersteunde 2D-materiaalfotodetectoren, verbeterd door de bovenstaande strategieën, bieden een groot potentieel voor het stimuleren van opmerkelijke vooruitgang in brede toepassingsgebieden.
Er worden verschillende potentiële onderzoeksrichtingen voorgesteld die gunstig kunnen zijn voor de toekomstige ontwikkeling van met plasmon versterkte 2D-materiaalfotodetectoren.
Ten eerste zijn er nog steeds veel aspecten van de plasmonische structuren die het onderzoeken waard zijn. Ondanks het feit dat onderzoekers de invloed van structurele parameters (morfologie, dichtheidsverdeling, enz.) op de prestaties van 2D-materiaalfotodetectoren al hebben bestudeerd, zijn interne factoren zoals kristalkwaliteit nog niet volledig onderzocht.
Ten tweede hebben de bovenstaande strategieën verschillende werkmechanismen gerapporteerd die worden gedomineerd door de geïntegreerde plasmonische materialen, terwijl op elkaar afgestemde fysieke modellen en toepasselijke omstandigheden voor deze plasmonische effecten nog niet volledig zijn opgehelderd, wat nodig is om deze fascinerende concepten uit te breiden van laboratoriumonderzoek naar commerciële apparaten.
Ten derde is de interfacetechniek tussen metaal en 2D-materiaal nog niet volledig onderzocht in hybride plasmonische/2D-materiaalstructuren.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Devices &Instrumentation .