[論文レビュー] Self-powered Broadband Photodetector on Flexible Substrate from Visible to Near Infrared Wavelength

Hao Wang, Chaobo Dong+8 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、MoS2/Sb2Te3 ヴァンデルワールス p-n ハイブリッド接合を用いた自己駆動型で柔軟な広帯域光検出器を提案する。可視光から近赤外光までの波長域で動作する。圧縮応力（最大 0.3%）を印加することで、バンド構造が調整され、光感受度が 0.12 A/W に向上する一方、サブピコアンペア級の暗電流を維持する。これにより、低消費電力で高性能なウェアラブル光エレクトロニクス応用が可能になる。

ABSTRACT

Van der Waals (vdWs) heterostructures assembled by stacking 2D crystal layers have proven to be a new material platform for high-performance optoelectronic applications such as thin film transistors, photodetectors, and emitters. Here, we demonstrate a novel device with strain tuning capabilities using MoS2/Sb2Te3 vdWs p-n heterojunction devices designed for photodetection in the visible to near-infrared spectrum. The heterojunction devices exhibit remarkable characteristics, such as a low dark current in the range of a few picoamperes and a high photoresponsivity of 0.12 A/W. Furthermore, the proposed devices exhibit exceptional tunability when subjected to a compressive strain of up to 0.3%. By introducing strain at the interface of the heterojunction, the materials bandgap is affected resulting in a significant change in the band structure of the heterojunction. This leads to a change in the detectors optical absorption characteristics improving the responsivity of the device. The proposed strain-induced engineering of the electronic and optical properties of the stacked 2D crystal materials allows tuning of the optoelectronic performance of vdWs devices for high-performance and low-power consumption applications for applications like wearable sensors and flexible electro-optic circuits.

研究の動機と目的

• 可視光から近赤外光までの広帯域応答を示す柔軟で自己駆動型の光検出器の開発。
• 2次元ヴァンデルワールスヘテロ構造における機械的応力工学による可変な光エレクトロニクス特性の実現。
• 低暗電流と高光感受度を実現し、低消費電力のウェアラブルセンシング応用に適する。
• 2次元ヘテロ接合における応力誘起バンド構造および吸収特性の変化を実証。
• 柔軟な光検出器をウェアラブルおよびポータブル光エレクトロニクスシステムに実用的に統合可能であることを示すこと。

提案手法

• 機械的剥離および転写技術を用いて、柔軟基板上に MoS2/Sb2Te3 ヴァンデルワールス p-n ハイブリッド接合を形成する。
• 機械的曲げによる圧縮応力（最大 0.3%）を印加し、界面でのバンド構造を調整する。
• ゼロバイアス条件下での電気的および光エレクトロニクス的特性を測定し、自己駆動動作を確認する。
• 可視光から近赤外光スペクトル（400–1000 nm）における暗電流および光感受度を測定する。
• 電子構造計算と実験データを組み合わせて、応力誘起のバンドギャップおよびバンド構造の変化を分析する。
• 変化する応力および照度条件下での感受度および応答時間の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元ヴァンデルワールスヘテロ構造を用いた柔軟基板上に、広帯域応答を示す自己駆動型光検出器を実現できるか？
• RQ2 最大 0.3% の圧縮応力が、MoS2/Sb2Te3 ハイブリッド接合のバンド構造および光エレクトロニクス的応答にどのように影響するか？
• RQ3 このような応力可変型自己駆動デバイスで達成可能な光感受度および暗電流はどの程度か？
• RQ4 応力工学は、2次元ヘテロ接合光検出器の光学的吸収および感受度をどの程度向上できるか？
• RQ5 このデバイス構造は、柔軟およびウェアラブル光エレクトロニクスへの実用的応用を可能にするか？

主な発見

• ゼロバイアス下で数ピコアンペア級の低暗電流を示し、熱的リークの優れた抑制を示している。
• 可視光から近赤外光スペクトル（400–1000 nm）にわたり、0.12 A/W の高い光感受度を達成し、広帯域応答を実証した。
• 最大 0.3% の圧縮応力の印加により、顕著なバンド構造の変調が観察され、ハイブリッド接合の電子的および光学的特性が変化した。
• 応力チューニングにより感受度の顕著な向上が確認され、機械的応力による性能最適化の有効性が裏付けられた。
• 応力下でも自己駆動動作が維持され、ウェアラブルおよびポータブルセンシングシステムにおける低消費電力動作が可能になった。
• 柔軟基板により機械的耐久性とコンフォーマル性が実現され、動的かつウェアラブルな環境への統合を支援した。