16.04.2020 - Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT)

Graphen-Heterostrukturen mit schwarzem Phosphor und Arsen ermöglichen neue Infrarot-Detektoren

Sensoren könnten alle Ferninfrarot- und Terahertz-Strahlungsdetektoren ersetzen

MIPT-Wissenschaftler und ihre Kollegen aus Japan und den USA haben die Parameter von Photodetektoren berechnet, die aus Schichten von Graphen und einer Kombination aus schwarzem Phosphor und schwarzem Arsen bestehen. Diese Sensoren sind in der Lage, Strahlung mit einer Energie zu erfassen, die geringer ist als die Bandlücke der einzelnen Schichten ohne Graphen. Sie lassen sich auch leicht modifizieren, um ihre Empfindlichkeit für die gewünschte Wellenlänge des Lichts zu erhöhen. Solche Sensoren könnten alle Ferninfrarot- und Terahertz-Strahlungsdetektoren ersetzen.

Die neuen Sensoren werden vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie zugute kommen. Das Ferninfrarot-Band ist sowohl für Haushaltsanwendungen als auch für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung. Diese Wellen werden vom kosmischen Staub ausgestrahlt, dessen Untersuchung die Entwicklung der Galaxien offenbart. Infrarotlichtsensoren werden in Nachtsichtgeräten, Fernbedienungen, Zielflugkörpern und Herzschlagsensoren verwendet. Terahertz-Strahlung bietet eine weniger gefährliche Alternative zu Röntgen-Gepäckscannern.

Die Forscher zogen Ferninfrarot-Interband-Photodetektoren auf der Basis einer Graphen-Monolage in Betracht. Das Graphen war von Schichten aus schwarzem Phosphor und schwarzem Arsen in unterschiedlichen Anteilen umgeben. Durch Veränderung des Verhältnisses dieser Stoffe kann der Arbeitsbereich des Photodetektors verschoben werden. Die Energien, die den Elektronen in schwarzem Phosphor und Arsen unzugänglich sind, sind unterschiedlich. Der Detektor arbeitet, indem er ein Elektron oder Loch registriert, das nach einem Übergang zwischen zwei Energiebändern von Graphen in das Leitungsband von schwarzem Phosphor oder Arsen eintritt. Temperatureffekte führen jedoch dazu, dass Infrarot- und Terahertz-Sensoren das Signal auch "im Dunkeln" erfassen, wenn keine Strahlung vorhanden ist. Bei den in der Studie untersuchten Schichtstrukturen stellte sich heraus, dass sie einen Dunkelstrom erfahren, der viel geringer ist als bei den heute verwendeten.

"Wir berechneten die Parameter der lichtempfindlichen Elemente für die Ferninfrarot-Detektion auf der Basis einer Graphen-Monolage. Solche Geräte können fast alle heute verwendeten Ferninfrarot- und Terahertz-Strahlungssensoren ersetzen. Der verringerte Dunkelstrom und die hohe Lichtempfindlichkeit verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis auch bei geringer Strahlungsintensität deutlich. Durch Anlegen einer sorgfältig kalibrierten Spannung kann der Arbeitsbereich der Detektoren ohne Beeinträchtigung der Signalempfangsqualität verändert werden. Solche Sensoren könnten die Leistung von Infrarot-Teleskopen verbessern. Berechnungen zufolge werden die Detektoren bei hohen Temperaturen ein viel saubereres Signal als die jetzt verwendeten Detektoren erzeugen", fügt Victor Ryzhii, der Leiter des Labors für 2D-Materialien und Nanogeräte, hinzu.

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