Fotodiody podczerwieni do lawin od materiałów sypkich do materiałów 2D

Newswise – Efekt mnożenia lawiny można wykorzystać do wykrywania sygnałów optycznych o małej mocy, a nawet pojedynczych fotonów dzięki mechanizmowi wzmocnienia we wszystkich głównych długościach fal: bliskich (NIR), krótkich (SWIR), średnich (MWIR) i długich pasmach promieniowania podczerwonego (LWIR). Zaawansowane systemy radarów laserowych i broni stosowane w wojsku i przestrzeni kosmicznej dalekiego zasięgu muszą wykrywać, rozpoznawać i śledzić wiele celów w różnorodnych warunkach atmosferycznych, w tym w absorpcji przez CO, CO_dwa i H_dwaPara wodna, co powoduje znaczne tłumienie sygnału w układzie optycznym. To tłumienie sygnału wyjściowego wymaga dodatkowego wzmacniacza wraz z systemem do prawidłowego wykrywania sygnału w stopniu detektora. Urządzenia oparte na fotodiodach lawinowych (APD) charakteryzujące się dużą przepustowością (PN) i zyskać (M) – produkt o dużym wzmocnieniu pasma (GBW) i niski poziom hałasu [F(M)] jednocześnie nadają się do wykrywania tłumionych sygnałów optycznych, na przykład w zastosowaniach dalekiego zasięgu, takich jak komunikacja optyczna w wolnej przestrzeni (FSO), noktowizja, wykrywanie światła i określanie odległości (LIDAR/LADAR), pomiar czasu przelotu (ToF), inteligentna robotyka i wreszcie w warunkach pola walki (zastosowania wojskowe). Główną przyczyną tej tendencji jest niewątpliwie zwrot w kierunku zastosowań optycznych informacji kwantowych, takich jak kwantowa dystrybucja klucza (QKD). Zastosowania te nakładają surowe wymagania na działanie detektora, które odbiegają od wydajności dobrze znanych typowych APD. Dlatego poprawa GBW To jest F(M) redukcja była kluczowym celem postępu w zakresie oficjalnej pomocy rozwojowej. Metody tłumienia F(M) można podzielić na trzy taktyki. Początkowe podejście mogłoby polegać na wyborze materiału (w tym „trzecia fala„materiały i ich technologie) o korzystnych właściwościach multiplikacyjnych. Następny, F(M) można zasadniczo ograniczyć poprzez skalowanie warstwy lawinowej w celu wykorzystania nielokalnego efektu efektu zwielokrotnienia. Ostatnią metodę można ogólnie sklasyfikować jako inżynierię jonizacji udarowej (I_dwaI) poprzez wykorzystanie odpowiednio zaprojektowanych heterozłączy.

Członek „trzecia fala” – dwuwymiarowe (2D) materiały warstwowe i ich heterostruktury van der Waalsa (vdW) mogą znaleźć także zastosowanie w dziedzinie multiplikacji lawin, włączając w to technologie zliczania pojedynczych fotonów. W ostatniej dekadzie nastąpił spektakularny wzrost liczby badań związanych z obiecującymi fotodetektorami 2D, jednakże materiały te charakteryzują się niską absorpcją wynikającą z ich drobnego atomizmu. Jonizacja uderzeniowa prowadząca do zwielokrotnienia nośnika to obiecujące podejście do wytwarzania fotodetektorów 2D o wysokiej skuteczności wykrywania.

W porównaniu ze standardową objętością materiały 2D wykazują wiele wyjątkowych możliwości, takich jak elastyczność mechaniczna, silne sprzęganie materii świetlnej, powierzchnie samopasywacyjne i poziom Fermiego z regulacją bramki, zapewniając elastyczność w projektowaniu heterostruktur. Materiały te charakteryzują się różnymi współczynnikami jonizacji uderzenia w zależności od kierunku transportu przenośnika. Co więcej, w rodzinie materiałów 2D zaobserwowano nie tylko konwencjonalny efekt jonizacji uderzeniowej, ale także balistyczny mechanizm lawinowy. W związku z tym badania nad innowacyjnymi materiałami charakteryzującymi się niskim polem elektrycznym krytycznym dla zwielokrotniania lawin są istotne dla uzyskania energooszczędnych urządzeń elektrycznych/fotoelektrycznych. Mechanizm zwielokrotniania lawiny w konwencjonalnych materiałach został ograniczony ze względu na wysokie napięcie sterujące, które mogłoby zostać ominięte przez APD bazujące na materiałach 2D.

W nowym artykule opublikowanym w czasopiśmie Light Science & Application zespół naukowców pod przewodnictwem profesora Piotra Martyniuka z Instytutu Fizyki Stosowanej Wojskowej Akademii Technicznej oraz współautorów z Państwowego Kluczowego Laboratorium Fizyki Podczerwieni Instytutu w Szanghaju Fizyki Technicznej Chińskiej Akademii Nauk w Chinach pokazało obecny stan i przyszły rozwój APD opartych na podczerwieni. Papar obejmuje HgCdTe i A luzem^IIIB^V oparte na systemach materiałowych, w tym dobrze znane „trzecia fala” członek rodziny materialnej – supersieci. Ponadto zaprezentowano bieżący postęp w zakresie nowych materiałów i architektur dla wysokowydajnych urządzeń APD na podczerwień, obejmujący „trzecia fala„Materiały 2D. Ponadto przedstawiono strategie osiągnięcia wysokiej wydajności APD.

###
Bibliografia

TO BOLI

10.1038/s41377-023-01259-3

Oryginalny źródłowy adres URL

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01259-3

Informacje o finansowaniu

Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki – granty nr. UMO-2019/33/B/ST7/00614, UMO-2021/41/B/ST7/01532 oraz Miejska Komisja Nauki i Technologii w Szanghaju – grant nr 23WZ2500400.

O Światło: nauka i zastosowania

O Światło: nauka i zastosowania będzie publikować przede wszystkim nowe wyniki badań dotyczące pojawiających się i najnowocześniejszych zagadnień z zakresu optyki i fotoniki, a także tradycyjnych zagadnień z zakresu inżynierii optycznej. W czasopiśmie będą publikowane artykuły oryginalne i recenzje o wysokiej jakości, dużym zainteresowaniu i dalekosiężnych konsekwencjach.