द्विध्रुवी द्वि-आयामी हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

द्विध्रुवी द्वि-आयामीहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

द्विध्रुवीय द्वि-आयामी हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (एपीडी फोटोडिटेक्टर) अति-निम्न शोर और उच्च संवेदनशीलता का पता लगाता है

कुछ फोटॉनों या यहाँ तक कि एकल फोटॉनों की उच्च-संवेदनशीलता का पता लगाने से क्षीण प्रकाश इमेजिंग, सुदूर संवेदन और दूरमिति, तथा क्वांटम संचार जैसे क्षेत्रों में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग संभावनाएँ हैं। इनमें, हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (APD) अपने छोटे आकार, उच्च दक्षता और आसान एकीकरण की विशेषताओं के कारण ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण अनुसंधान के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण दिशा बन गया है। सिग्नल-टू-रव अनुपात (SNR) APD फोटोडिटेक्टर का एक महत्वपूर्ण संकेतक है, जिसके लिए उच्च लाभ और कम डार्क करंट की आवश्यकता होती है। द्वि-आयामी (2D) पदार्थों के वैन डेर वाल्स हेटेरोजंक्शन पर किए गए शोध से उच्च-प्रदर्शन वाले APD के विकास की व्यापक संभावनाएँ दिखाई देती हैं। चीन के शोधकर्ताओं ने द्विध्रुवीय द्वि-आयामी अर्धचालक पदार्थ WSe₂ को प्रकाश-संवेदी पदार्थ के रूप में चुना और पारंपरिक APD फोटोडिटेक्टर की अंतर्निहित लाभ शोर समस्या को हल करने के लिए, सर्वोत्तम मिलान कार्य फलन वाली Pt/WSe₂/Ni संरचना वाले APD फोटोडिटेक्टर को सावधानीपूर्वक तैयार किया।

अनुसंधान दल ने Pt/WSe₂/Ni संरचना पर आधारित एक हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर का प्रस्ताव रखा, जिसने कमरे के तापमान पर fW स्तर पर अत्यंत कमजोर प्रकाश संकेतों का अत्यधिक संवेदनशील पता लगाने में सफलता प्राप्त की। उन्होंने उत्कृष्ट विद्युत गुणों वाले द्वि-आयामी अर्धचालक पदार्थ WSe₂ का चयन किया और Pt तथा ​​Ni इलेक्ट्रोड पदार्थों को मिलाकर एक नए प्रकार के हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर का सफलतापूर्वक विकास किया। Pt, WSe₂ और Ni के बीच कार्य-फलन मिलान को सटीक रूप से अनुकूलित करके, एक परिवहन तंत्र डिज़ाइन किया गया जो प्रभावी रूप से अंधकारमय वाहकों को अवरुद्ध कर सकता है जबकि चुनिंदा रूप से प्रकाश-जनित वाहकों को गुजरने देता है। यह तंत्र वाहक प्रभाव आयनीकरण के कारण उत्पन्न अत्यधिक शोर को महत्वपूर्ण रूप से कम करता है, जिससे फोटोडिटेक्टर अत्यंत निम्न शोर स्तर पर अत्यधिक संवेदनशील प्रकाशीय संकेत का पता लगाने में सक्षम होता है।

फिर, दुर्बल विद्युत क्षेत्र द्वारा प्रेरित हिमस्खलन प्रभाव के पीछे की क्रियाविधि को स्पष्ट करने के लिए, शोधकर्ताओं ने आरंभ में विभिन्न धातुओं के अंतर्निहित कार्यफलनों की WSe₂ के साथ अनुकूलता का मूल्यांकन किया। विभिन्न धातु इलेक्ट्रोडों वाले धातु-अर्धचालक-धातु (MSM) उपकरणों की एक श्रृंखला निर्मित की गई और उन पर प्रासंगिक परीक्षण किए गए। इसके अतिरिक्त, हिमस्खलन शुरू होने से पहले वाहक प्रकीर्णन को कम करके, प्रभाव आयनीकरण की यादृच्छिकता को कम किया जा सकता है, जिससे शोर कम होता है। इसलिए, प्रासंगिक परीक्षण किए गए। समय प्रतिक्रिया विशेषताओं के संदर्भ में Pt/WSe₂/Ni APD की श्रेष्ठता को और अधिक प्रदर्शित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न प्रकाश-विद्युत लब्धि मानों के अंतर्गत उपकरण की -3 dB बैंडविड्थ का और मूल्यांकन किया।

प्रायोगिक परिणामों से पता चलता है कि Pt/WSe₂/Ni डिटेक्टर कमरे के तापमान पर अत्यंत कम शोर समतुल्य शक्ति (NEP) प्रदर्शित करता है, जो केवल 8.07 fW/√Hz है। इसका अर्थ है कि डिटेक्टर अत्यंत कमजोर प्रकाशीय संकेतों की पहचान कर सकता है। इसके अलावा, यह उपकरण 5×10⁵ के उच्च लाभ के साथ 20 kHz की मॉड्यूलेशन आवृत्ति पर स्थिर रूप से कार्य कर सकता है, जिससे पारंपरिक फोटोवोल्टिक डिटेक्टरों की तकनीकी अड़चन का सफलतापूर्वक समाधान हो जाता है, जिनमें उच्च लाभ और बैंडविड्थ के बीच संतुलन बनाना मुश्किल होता है। इस विशेषता से उच्च लाभ और कम शोर की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में इसके महत्वपूर्ण लाभ होने की उम्मीद है।

यह शोध सामग्री इंजीनियरिंग और इंटरफ़ेस अनुकूलन की महत्वपूर्ण भूमिका को दर्शाता है जो प्रदर्शन को बढ़ाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।फोटोडिटेक्टरइलेक्ट्रोड और द्वि-आयामी सामग्रियों के सरल डिजाइन के माध्यम से, अंधेरे वाहकों का परिरक्षण प्रभाव प्राप्त किया गया है, जिससे शोर हस्तक्षेप में काफी कमी आई है और पता लगाने की दक्षता में और सुधार हुआ है।

इस डिटेक्टर का प्रदर्शन न केवल इसकी प्रकाश-विद्युत विशेषताओं में परिलक्षित होता है, बल्कि इसके अनुप्रयोग की व्यापक संभावनाएँ भी हैं। कमरे के तापमान पर डार्क करंट को प्रभावी ढंग से रोकने और प्रकाश-जनित वाहकों के कुशल अवशोषण के साथ, यह डिटेक्टर पर्यावरण निगरानी, ​​खगोलीय प्रेक्षण और प्रकाशीय संचार जैसे क्षेत्रों में क्षीण प्रकाश संकेतों का पता लगाने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है। यह शोध उपलब्धि न केवल निम्न-आयामी पदार्थ फोटोडिटेक्टरों के विकास के लिए नए विचार प्रदान करती है, बल्कि उच्च-प्रदर्शन और निम्न-शक्ति ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के भविष्य के अनुसंधान और विकास के लिए नए संदर्भ भी प्रदान करती है।