Plazmonla Geliştirilmiş 2D Malzeme Fotodetektörlerine Yönelik Tasarım Stratejileri

(A) Hibrid bir Au-grafen fotodetektörünün çizimi. (B) Au nanopartikülleri ile grafen fotodetektörünün duyarlılığının arttırılması. © Au nanoelektrotlarla entegre edilmiş bir grafen fotodetektörün şeması. (D) Au nanoelektrotlarla entegre grafen fotodetektördeki akım yoğunluğu dağılımı. Alt kısım, cihazın eşdeğer devre modelidir. (E) Au nanoelektrotlarla entegre edilmiş bir grafen fotodetektörünün fotovoltaj haritası. (F) Au nanoelektrotları olmayan bir grafen fotodetektörünün fotovoltaj haritası. (G) Asimetrik Au telleri ile entegre edilmiş iki katmanlı bir MoS fotodetektörünün şeması. (H) Farklı öngerilim gerilimi altında deneysel ve simüle edilmiş duyarlılık. Sağ bant diyagramı, farklı öngerilim voltajları altında sıcak elektronların hareketini gösterir. (I) Bir nanoparçacık ızgara yapısı içeren tek katmanlı bir MoS fotodetektörünün şeması. (J) Farklı plazmonik nanoyapılarla entegre edilmiş çıplak bir MoS fotodetektörünün ve hibrit MoS fotodetektörünün fotoakımı. (K) Ag nanodisk dizileri ile entegre edilmiş geçitle ayarlanabilir plazmonik MoS fototransistörlerinin (fotoFET’ler) şeması. (L) Bozulmamış bir MoS fotoFET ve plazmonik fotoFET’in fotoresbulsivite spektrumları.

Si, GaAs ve HgCdTe gibi geleneksel yarı iletkenler, ultra küçük hacimli, hafif ve düşük güç tüketimine sahip elektronik cihazların gelişme trendini karşılayamıyor gibi görünüyor. Geleneksel yarı iletkenlerin bu sınırlamaları, esas olarak karmaşık büyüme koşullarından ve düşük sıcaklıklı çalışma ortamlarından kaynaklanmaktadır.

Son yıllarda, yeni 2 boyutlu (2D) malzemeler, benzersiz yapıları ve mükemmel fiziksel özellikleri nedeniyle oda sıcaklığında, yüksek hızlı, ultra hassas ve geniş bantlı fotodetektörler geliştirmek için iyi fırsatlar sağlamıştır. Bununla birlikte, 2D malzemelerin atom kalınlığı, kaçınılmaz olarak düşük ışık absorpsiyonu sorununu da beraberinde getirmiştir.

Umut verici bir çözüm, zaten bir araştırma odağı haline gelen gelişmiş ışık-madde etkileşimi için plazmonik nanomalzemelerin 2D malzemelerle kombinasyonudur. Soy metallerdeki yüzey plazmonlarının uyarılması, yakındaki yarı iletkenlerde ışık emilimini büyüklük sırasına göre artırabilen yerel olarak güçlendirilmiş elektromanyetik alanlar sağlar. Ek olarak, yüzey plazmonlarının bozunması, yüksek enerjili sıcak taşıyıcıları etkili bir şekilde üretir.

2D malzemelere enjekte edilen sıcak taşıyıcılar, yalnızca elektrotlar tarafından toplanan fotoakımı arttırmakla kalmaz, aynı zamanda yarı iletken bant aralığının ötesinde algılanabilir dalga boylarını da genişletir.

Bu hibrid yapıları ve mekanizmaları anlamak için, her bir stratejinin avantajlarını ve dezavantajlarını açıklığa kavuşturmak için kapsamlı rehberlik sağlayabilecek ve böylece gelecekteki çalışmalarda plazma destekli foto algılamayı optimize edebilecek plazmonla geliştirilmiş 2D malzeme fotodetektörlerinin tasarım stratejilerini çıkarmak ve özetlemek için sistematik bir genel bakış gereklidir.

Güneydoğu Üniversitesi’nden bir araştırma grubu, esas olarak plazmonik nanoyapılar ve 2D malzemeler arasındaki farklı hibridizasyon modlarının açıklığa kavuşturulmasına odaklanarak, plazmonla geliştirilmiş 2D malzeme fotodetektörlerine ayrıntılı bir genel bakış sağladı. Plazmonla geliştirilmiş foto algılama mekanizmaları ilk bölümde tanıtıldı.

Daha sonra, sırasıyla sırasıyla LSPR kılavuzlu mod, SPP kılavuzlu mod ve diğer hibrit fotonik modlar olarak kabaca sınıflandırılan hibrit sistemlerin yapıyla ilgili farklı bağlantı modlarını tartıştılar. Son olarak, ele alınması gereken sorunları ve gelecekteki araştırma çalışmalarında olası yönleri kısaca özetlediler.

Bu derlemede, 2 boyutlu malzeme fotodetektörlerinde plazmonik güçlendirmenin gerçekleştirilmesi için benimsenen mevcut tasarım stratejileri özetlenmiştir. Plazmonik nanoyapılar, farklı modlarda (doğrudan temas, ayrılmış veya gömülü mod gibi) çalışan tek katmanlı plazmonik nanoyapılar veya boşluk modlu plazmonik rezonansı destekleyen boşluğa bağlı plazmonik rezonatörler biçiminde, LSPR kaynaklı plazmonik etkilere dayalı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.

Plazmonik nanoyapıların malzemeleri, şekilleri, düzenlemeleri ve yerleşimleri dahil olmak üzere, hibrid fotodetektörlerde ışık-madde etkileşimini ve taşıyıcı taşıma özelliklerini etkileyebilecek temel faktörler tartışılmaktadır.

Ek olarak, şeritler, nano boşluklar ve ızgaralar gibi desenli plazmonik yapılar, metal yüzeyin yakın alanında sınırlı olan yayılan SPP dalgalarını destekleyerek, uzun bir yayılma mesafesi içinde metal ve 2D malzemeler arasında gelişmiş enerji eşleşmesini kolaylaştırır.

SPP bazlı metal elektrotlar kullanıldığında, 2D malzeme kanalından uzaktaki ışık enerjisi etkili bir şekilde toplanabilir ve emilebilir. Ayrıca, diğer fonksiyonel fotonik yapıların/malzemelerin ve plazmonla geliştirilmiş 2D malzeme fotodetektörlerinin sinerjisi de tanıtılarak gelişmiş performans ve yeni işlevler elde edilmiştir.

Yukarıdaki stratejilerle geliştirilen plazmon destekli 2D malzeme fotodetektörleri, geniş uygulama alanlarında dikkate değer ilerlemeleri artırmak için büyük bir potansiyele sahiptir.

Plazmonla geliştirilmiş 2D malzeme fotodetektörlerinin gelecekteki gelişimi için faydalı olabilecek birkaç potansiyel araştırma yönü önerilmiştir.

İlk olarak, plazmonik yapılar hakkında hala keşfedilmeye değer birçok yön var. Araştırmacıların yapısal parametrelerin (morfoloji, yoğunluk dağılımı vb.) 2D malzeme fotodedektörlerinin performansı üzerindeki etkisini zaten incelemiş olmalarına rağmen, kristal kalitesi gibi iç faktörler henüz tam olarak araştırılmamıştır.

İkincisi, yukarıdaki stratejiler, entegre plazmonik malzemelerin hakim olduğu çeşitli farklı çalışma mekanizmalarını bildirirken, bu plazmonik etkiler için eşleşen fiziksel modeller ve uygulanabilir koşullar tam olarak açıklığa kavuşturulmamıştır, bu da bu büyüleyici kavramları laboratuvar araştırmalarından ticari cihazlara genişletmek için gereklidir.

Üçüncüsü, metal ve 2D malzeme arasındaki arayüz mühendisliği, plazmonik/2D malzeme hibrid yapılarında tam olarak araştırılmamıştır.

Çalışma, Advanced Devices & Instrumentation dergisinde yayınlandı.

Kaynak:

Design strategies toward plasmon-enhanced 2D material photodetectors (phys.org)