Le Centre de Physique Intégrée des Nanostructures, au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) a développé le photodétecteur le plus fin au monde, c'est un appareil qui convertit la lumière en courant électrique. Avec une épaisseur de seulement 1,3 nanomètre - 10 fois plus petite que les diodes au silicium standard actuelles - cet appareil pourrait être utilisé dans l'Internet des objets, appareils intelligents, électronique portable et photoélectronique. Cette technologie 2D, publié le Communication Nature , utilise du bisulfure de molybdène (MoS2) pris en sandwich dans du graphène.

Le graphène est un matériau fantastique :il est conducteur, mince (juste un atome d'épaisseur), transparent et souple. Cependant, puisqu'il ne se comporte pas comme un semi-conducteur, son application dans l'industrie électronique est limitée. Par conséquent, afin d'augmenter la convivialité du graphène, Les scientifiques d'IBS ont pris en sandwich une couche du semi-conducteur 2D MoS2 entre deux feuilles de graphène et l'ont placée sur une base de silicium. Ils pensaient initialement que le dispositif résultant était trop mince pour générer un courant électrique mais, de façon inattendue, ça faisait. "Un appareil avec une couche de MoS2 est trop mince pour générer une jonction p-n conventionnelle, où les charges positives (p) et négatives (n) sont séparées et peuvent créer un champ électrique interne. Cependant, quand nous l'éclairons, nous avons observé un photocourant élevé. C'était surprenant ! Puisqu'il ne peut pas s'agir d'une jonction p-n classique, nous avons pensé à l'étudier plus avant, " explique YU Woo Jong, premier auteur de cette étude.

Pour comprendre ce qu'ils ont trouvé, les chercheurs ont comparé des appareils avec une et sept couches de MoS2 et ont testé leur comportement en tant que photodétecteur, C'est, comment ils sont capables de convertir la lumière en courant électrique. Ils ont constaté que l'appareil avec une couche de MoS2 absorbe moins de lumière que l'appareil avec sept couches, mais il a une photoréactivité plus élevée. "Habituellement, le photocourant est proportionnel à la photoabsorbance, C'est, si l'appareil absorbe plus de lumière, il devrait produire plus d'électricité, mais dans ce cas, même si le dispositif MoS2 à une couche a une absorbance plus petite que le MoS2 à sept couches, il produit sept fois plus de photocourant, " décrit Yu.

La monocouche est plus fine et donc plus sensible au milieu environnant :La couche inférieure de SiO2 augmente la barrière énergétique, tandis que l'air au-dessus le réduit, ainsi, les électrons dans le dispositif monocouche ont une probabilité plus élevée de passer de la couche de MoS2 au graphène supérieur (GrT). La barrière énergétique à la jonction GrT/MoS2 est inférieure à celle au GrB/MoS2, ainsi les électrons excités se transfèrent préférentiellement vers la couche de GrT et créent un courant électrique. Inversement, dans le dispositif MoS2 multicouche, les barrières énergétiques entre GrT/MoS2 et GrB/MoS2 sont symétriques, donc les électrons ont la même probabilité d'aller de part et d'autre et donc de réduire le courant généré.

Imaginez un groupe de personnes dans une vallée entourée de deux montagnes. Le groupe veut passer de l'autre côté des montagnes, mais sans faire trop d'efforts. Dans un cas (le dispositif MoS2 à sept couches), les deux montagnes ont la même hauteur donc quelle que soit la montagne traversée, l'effort sera le même. Par conséquent, la moitié du groupe traverse une montagne et l'autre moitié la deuxième montagne.

Dans le second cas (analogique au dispositif MoS2 monocouche), une montagne est plus haute que l'autre, alors la majorité du groupe décide de traverser la plus petite montagne. Cependant, parce que nous considérons la physique quantique au lieu de l'électromagnétisme classique, ils n'ont pas besoin de gravir la montagne jusqu'à ce qu'ils atteignent le sommet (comme ils auraient besoin de le faire avec la physique classique), mais ils peuvent passer par un tunnel. Bien que le tunnel d'électrons et la marche dans un tunnel dans une montagne soient bien sûr très différents, l'idée est que le courant électrique est généré par le flux d'électrons, et le dispositif plus fin peut générer plus de courant car plus d'électrons circulent dans la même direction.

Réellement, lorsque la lumière est absorbée par l'appareil et que les électrons MoS2 sautent dans un état excité, ils laissent les soi-disant trous derrière eux. Les trous se comportent comme des charges mobiles positives et sont essentiellement des positions laissées vides par des électrons qui ont absorbé suffisamment d'énergie pour passer à un état énergétique supérieur. Un autre problème du dispositif plus épais est que les électrons et les trous se déplacent trop lentement à travers les jonctions entre le graphène et le MoS2, conduisant à leur recombinaison indésirable au sein de la couche MoS2.

Pour ces raisons, jusqu'à 65% des photons absorbés par le dispositif plus fin sont utilisés pour générer un courant. Au lieu, la même mesure (efficacité quantique) n'est que de 7 % pour l'appareil MoS2 à sept couches.

"Cet appareil est transparent, flexible et nécessite moins d'énergie que les semi-conducteurs en silicium 3D actuels. Si les recherches futures sont couronnées de succès, il accélérera le développement de dispositifs photoélectriques 2D, " explique le professeur.