Hochleistungsfähiges, selbstfahrendes SystemInfrarot-Fotodetektor
InfrarotFotodetektorEs zeichnet sich durch hohe Störfestigkeit, starke Zielerkennung, Allwettertauglichkeit und gute Tarnung aus. Es spielt eine zunehmend wichtige Rolle in Bereichen wie Medizin, Militär, Raumfahrttechnik und Umwelttechnik. Zu diesen Bereichen gehört insbesondere das selbstfahrende System.fotoelektrische DetektionEin Chip, der ohne externe Stromversorgung unabhängig arbeitet, hat aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften (wie Energieunabhängigkeit, hohe Empfindlichkeit und Stabilität) im Bereich der Infrarotdetektion große Aufmerksamkeit erregt. Im Gegensatz dazu benötigen herkömmliche photoelektrische Detektionschips, beispielsweise auf Silizium oder Halbleitern mit schmaler Bandlücke basierende Infrarotchips, nicht nur zusätzliche Vorspannungen, um die Trennung der photogenerierten Ladungsträger zur Erzeugung von Photoströmen zu steuern, sondern auch zusätzliche Kühlsysteme zur Reduzierung des thermischen Rauschens und zur Verbesserung der Ansprechbarkeit. Daher wird es zunehmend schwieriger, die neuen Konzepte und Anforderungen der nächsten Generation von Infrarotdetektionschips zu erfüllen, wie beispielsweise geringer Stromverbrauch, kleine Abmessungen, niedrige Kosten und hohe Leistung.
Kürzlich haben Forschungsteams aus China und Schweden einen neuartigen, selbstangetriebenen photoelektrischen Detektionschip für kurzwellige Infrarotstrahlung (SWIR) auf Basis von Graphen-Nanobändern (GNR), Aluminiumoxid und einkristallinem Silizium vorgestellt. Durch die Kombination des optischen Gate-Effekts an der heterogenen Grenzfläche und des eingebauten elektrischen Feldes zeigte der Chip bei Nullspannung eine extrem hohe Ansprech- und Detektionsleistung. Im selbstangetriebenen Modus erreichte der photoelektrische Detektionschip eine Ansprechrate von bis zu 75,3 A/W, eine Detektionsrate von 7,5 × 10¹⁴ Jones und eine externe Quanteneffizienz von nahezu 104 %. Damit wurde die Detektionsleistung vergleichbarer siliziumbasierter Chips um sieben Größenordnungen verbessert. Im konventionellen Ansteuermodus erzielte der Chip zudem Ansprechrate, Detektionsrate und externe Quanteneffizienz von bis zu 843 A/W, 10¹⁵ Jones bzw. 105 % – die höchsten bisher in der Forschung berichteten Werte. Gleichzeitig demonstrierte diese Forschung auch die praktische Anwendung des photoelektrischen Detektionschips in den Bereichen optische Kommunikation und Infrarotbildgebung und unterstrich damit sein enormes Anwendungspotenzial.
Um die photoelektrische Leistung des auf Graphen-Nanobändern/Al₂O₃/Einkristall-Silizium basierenden Photodetektors systematisch zu untersuchen, testeten die Forscher dessen statische (Strom-Spannungs-Kennlinie) und dynamische (Strom-Zeit-Kennlinie) Kennlinien. Zur systematischen Bewertung der optischen Ansprechcharakteristik des Graphen-Nanoband/Al₂O₃/Einkristall-Silizium-Heterostruktur-Photodetektors unter verschiedenen Vorspannungen maßen sie die dynamische Stromantwort des Bauelements bei 0 V, -1 V, -3 V und -5 V Vorspannung und einer optischen Leistungsdichte von 8,15 μW/cm². Der Photostrom steigt mit der Sperrspannung an und zeigt bei allen Vorspannungen eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit.
Schließlich fertigten die Forscher ein Bildgebungssystem an und erzielten damit erfolgreich eine energieautarke Bildgebung im kurzwelligen Infrarotbereich. Das System arbeitet ohne Vorspannung und verbraucht keinerlei Energie. Die Abbildungsfähigkeit des Fotodetektors wurde mithilfe einer schwarzen Maske mit einem „T“-Muster (siehe Abbildung 1) evaluiert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Studie erfolgreich energieautarke Fotodetektoren auf Basis von Graphen-Nanobändern hergestellt und eine rekordverdächtig hohe Ansprechrate erzielt wurden. Gleichzeitig demonstrierten die Forscher erfolgreich die optischen Kommunikations- und Bildgebungsfähigkeiten dieser Detektoren.hochempfindlicher FotodetektorDiese Forschungsleistung liefert nicht nur einen praktischen Ansatz für die Entwicklung von Graphen-Nanobändern und optoelektronischen Bauelementen auf Siliziumbasis, sondern demonstriert auch deren hervorragende Leistung als energieautarke Kurzwellen-Infrarot-Photodetektoren.
Veröffentlichungsdatum: 28. April 2025