Ces dernières années, la structure exceptionnelle et les propriétés électriques et optiques fascinantes des cristaux en couches bidimensionnelles (2D) ont attiré une grande attention. Des exemples de tels cristaux incluent le graphène, le phosphore noir (BP) et les dichalcogénures de métaux de transition (TMD).
Avec leur épaisseur atomique, leur mobilité élevée des porteurs et leurs bandes interdites réglables, ces matériaux sont extrêmement prometteurs dans diverses applications et continuent de susciter un intérêt considérable dans la communauté scientifique. Le graphène, une structure cristalline d'atomes de carbone étroitement compactés reliés par sp 2 hybridation formant un réseau en nid d'abeille bidimensionnel monocouche, possède une mobilité électronique aussi élevée que 2 × 10 5 cm 2 ·V −1 ·s −1 .
Cependant, les supports photogénérés de courte durée du graphène, attribués à sa bande interdite nulle et à son absorption de lumière extrêmement faible (2,3 %), entravent les applications de ses appareils. Les dichalcogénures de métaux de transition présentent de larges bandes interdites et une mobilité des porteurs relativement faible (<200 cm 2 ·V −1 ·s −1 ), les rendant impropres aux applications dans le domaine de la détection optoélectronique.
En raison de ses caractéristiques uniques, le phosphore noir apparaît comme un matériau très prometteur pour les détecteurs infrarouges. Notamment, il présente une bande interdite directe allant de 0,34 eV en vrac à 2,1 eV sous forme monocouche. De plus, d'après des études antérieures, le phosphore noir possède une mobilité élevée des porteurs d'environ 1 000 cm 2 ·V −1 ·s −1 et un grand rapport marche/arrêt de 105. Ces attributs améliorent encore le potentiel du phosphore noir en tant que matériau préféré pour les applications de détection infrarouge.
Malheureusement, le phosphore noir souffre d’une mauvaise stabilité et se dégrade rapidement dans l’atmosphère à température ambiante, limitant ainsi ses applications pratiques. L'arsenic noir (B-As), en tant qu'homologue du phosphore, partage une structure cristalline similaire à celle du BP et devrait présenter d'excellentes performances électriques et optiques, avec une mobilité élevée attendue des porteurs (jusqu'à 10 3 cm 2 ·V −1 ·s −1 ).
Comme l’ont indiqué des recherches antérieures, la bande interdite du B-As dépend fortement de l’épaisseur du matériau. Plus précisément, la bande interdite indirecte du B-As monocouche varie d'environ 1 à 1,5 eV, tandis que le B-As en vrac est un semi-conducteur à bande interdite directe avec une bande interdite d'environ 0,3 eV.
Ces résultats soulignent l'importance de prendre en compte l'épaisseur de la couche dans l'étude des propriétés électroniques et optiques du B-As, démontrant le potentiel de ce matériau dans diverses applications.
Aujourd'hui, un groupe de recherche a conçu un photodétecteur bi-bande à base de phosphore noir pour les longueurs d'onde visibles et infrarouges. À température ambiante, l'équipe a découvert, grâce aux caractéristiques de transfert et aux caractéristiques tension-courant du dispositif, que le dispositif préparé est un FET à mode d'appauvrissement de type N et présente un bon contact ohmique.
La recherche est publiée dans la revue Advanced Devices &Instrumentation. .
Lorsque l'énergie des photons laser incidents est supérieure à la bande interdite de plusieurs couches de B-As (hv> Eg), des paires électron-trou photo-excitées peuvent être générées. Lorsque le dispositif B-As est en mode polarisation, le champ électrique appliqué sépare efficacement les paires électron-trou photo-générées au niveau de l'interface et les injecte dans l'électrode, générant ainsi un photocourant. Les résultats de recherche de l'équipe indiquent que l'effet photoconducteur est le principal mécanisme de réponse lumineuse du dispositif B-As dans les bandes de lumière visible et infrarouge.
Au cours de l'expérience, ils ont trouvé un signal faible à une tension de polarisation nulle, qu'ils ont analysé comme étant dû à l'éclairage inégal du point laser sur le canal introduisant le courant photothermique. Cela peut également être attribué à l'effet Dember provoqué par les différents coefficients de diffusion des électrons et des trous, conduisant au champ électrique intégré.
Les chercheurs ont fourni le moyen le plus intuitif et le plus efficace d’afficher la région où le photocourant est généré grâce à la numérisation de cartes de photocourant, utilisées pour valider leur explication. Un faible signal de photocourant est émis par l'appareil avec une polarisation de 0 V, confirmant leur explication précédente. L'augmentation de la tension de polarisation de 0,01 V à la même position du canal révèle une expansion significative de la zone photosensible.
Cette étude a permis de développer avec succès un photodétecteur B-As capable de répondre rapidement à température ambiante, démontrant des caractéristiques exceptionnelles de réponse lumineuse à double bande. Le détecteur présentait une photoréactivité maximale de 387,3 mA·W −1 à une longueur d'onde proche infrarouge de 825 nm sans nécessiter de polarisation externe, et a obtenu une détectivité élevée de 1,37 × 10 8 Jones.
Le mécanisme de réponse dans le spectre visible à infrarouge est principalement attribué à l’effet photoconducteur. Ces résultats confirment non seulement les performances photoélectriques supérieures du B-As en tant que semi-conducteur à bande interdite étroite, mais présentent également ses performances comparables à celles du phosphore noir (BP), indiquant un potentiel d'application important dans les dispositifs optoélectroniques à grande vitesse. Plus important encore, les capacités de détection bi-bande démontrées dans cette recherche constituent une base solide pour le développement futur de technologies de photodétection à large bande à température ambiante.
Plus d'informations : Xuyang Lv et al, Photodétecteur visible-proche infrarouge à base d'arsenic noir, Appareils et instruments avancés (2023). DOI :10.34133/adi.0012
Fourni par Advanced Devices &Instrumentation
