Fotorivelatore a infrarossi ad alte prestazioni e autoalimentato

Autoguida ad alte prestazionifotorivelatore a infrarossi

infrarossifotorivelatorepossiede le caratteristiche di forte capacità anti-interferenza, forte capacità di riconoscimento del bersaglio, funzionamento in qualsiasi condizione atmosferica e buon occultamento. Sta assumendo un ruolo sempre più importante in settori quali medicina, ambito militare, tecnologia spaziale e ingegneria ambientale. Tra questi, il veicolo a guida autonomarilevamento fotoelettricoI chip in grado di funzionare in modo indipendente senza un'alimentazione esterna aggiuntiva hanno attirato notevole attenzione nel campo del rilevamento a infrarossi grazie alle loro prestazioni uniche (come l'indipendenza energetica, l'elevata sensibilità e stabilità, ecc.). Al contrario, i tradizionali chip di rilevamento fotoelettrico, come quelli a base di silicio o di semiconduttori a banda proibita stretta, non solo richiedono tensioni di polarizzazione aggiuntive per guidare la separazione dei portatori fotogenerati e produrre fotocorrenti, ma necessitano anche di sistemi di raffreddamento aggiuntivi per ridurre il rumore termico e migliorare la reattività. Pertanto, è diventato difficile soddisfare i nuovi concetti e requisiti della prossima generazione di chip di rilevamento a infrarossi, come il basso consumo energetico, le dimensioni ridotte, il basso costo e le elevate prestazioni.

Recentemente, gruppi di ricerca provenienti da Cina e Svezia hanno proposto un innovativo chip di rilevamento fotoelettrico a infrarossi a onde corte (SWIR) autoalimentato a eterogiunzione PIN, basato su film di nanonastri di grafene (GNR)/allumina/silicio monocristallino. Grazie all'effetto combinato del gating ottico innescato dall'interfaccia eterogenea e del campo elettrico intrinseco, il chip ha dimostrato prestazioni di risposta e rilevamento estremamente elevate a tensione di polarizzazione zero. Il chip di rilevamento fotoelettrico presenta una velocità di risposta A pari a 75,3 A/W in modalità autoalimentata, una velocità di rilevamento di 7,5 × 10¹⁴ Jones e un'efficienza quantica esterna prossima al 104%, migliorando le prestazioni di rilevamento di chip analoghi basati sul silicio di ben 7 ordini di grandezza. Inoltre, in modalità di pilotaggio convenzionale, la velocità di risposta, la velocità di rilevamento e l'efficienza quantica esterna del chip raggiungono rispettivamente valori elevatissimi, pari a 843 A/W, 10¹⁵ Jones e 105%, i più alti mai riportati nella ricerca attuale. Questa ricerca ha inoltre dimostrato l'applicabilità pratica del chip di rilevamento fotoelettrico nei settori delle comunicazioni ottiche e dell'imaging a infrarossi, evidenziandone l'enorme potenziale applicativo.

Al fine di studiare sistematicamente le prestazioni fotoelettriche del fotorivelatore basato su nanonastri di grafene/Al₂O₃/silicio monocristallino, i ricercatori hanno testato le sue risposte caratteristiche statiche (curva corrente-tensione) e dinamiche (curva corrente-tempo). Per valutare sistematicamente le caratteristiche di risposta ottica del fotorivelatore eterostrutturale nanonastri di grafene/Al₂O₃/silicio monocristallino a diverse tensioni di polarizzazione, i ricercatori hanno misurato la risposta dinamica della corrente del dispositivo a polarizzazioni di 0 V, -1 V, -3 V e -5 V, con una densità di potenza ottica di 8,15 μW/cm². La fotocorrente aumenta con la polarizzazione inversa e mostra una velocità di risposta rapida a tutte le tensioni di polarizzazione.

Infine, i ricercatori hanno realizzato un sistema di imaging e sono riusciti a ottenere immagini a infrarossi a onde corte autoalimentate. Il sistema funziona a polarizzazione zero e non consuma energia. La capacità di imaging del fotorivelatore è stata valutata utilizzando una maschera nera con il disegno della lettera "T" (come mostrato in Figura 1).

In conclusione, questa ricerca ha fabbricato con successo fotorivelatori autoalimentati basati su nanonastri di grafene e ha raggiunto un tasso di risposta elevato da record. Nel frattempo, i ricercatori hanno dimostrato con successo le capacità di comunicazione ottica e di imaging di questofotorivelatore ad alta reattivitàQuesto risultato di ricerca non solo fornisce un approccio pratico per lo sviluppo di nanonastri di grafene e dispositivi optoelettronici a base di silicio, ma dimostra anche le loro eccellenti prestazioni come fotorivelatori a infrarossi a onde corte autoalimentati.