[논문 리뷰] Self-powered Broadband Photodetector on Flexible Substrate from Visible to Near Infrared Wavelength

Hao Wang, Chaobo Dong외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 15.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유연한 복합 대역폭 광검출기를 MoS2/Sb2Te3 반데르발스 p-n 이종접합을 기반으로 자가 공급 전원을 사용하여 가시광선에서 가까운 적외선 파장까지 작동하도록 제안한다. 최대 0.3%의 압축 응력 적용으로 밴드 구조가 조정되어, 암전류가 피아미프레레 수준을 유지하면서도 광응답도 0.12 A/W로 향상되어 저전력 고성능 웨어러블 광전자 응용 분야를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가시광선에서 가까운 적외선 파장에 걸쳐 복합 대역폭 반응을 갖는 유연하고 자가 공급 전원 광검출기를 개발하기.
• 2차원 반데르발스 이종구조에서 기계적 응력 공학을 통해 조절 가능한 광전기 성능을 실현하기.
• 저전력 웨어러블 센싱 응용 분야를 위한 낮은 어둠의 전류와 높은 광응답도를 달성하기.
• 2차원 이종접합에서 응력 유도된 밴드 구조 및 광학 흡수의 변화를 입증하기.
• 유연한 광검출기를 실용적으로 웨어러블 및 이동식 전자광학 시스템에 통합할 수 있도록 하기.

제안 방법

• 기계적 분리 및 전달 기술을 사용하여 도우유 기반의 융합 기판에 MoS2/Sb2Te3 반데르발스 p-n 이종접합을 제작하기.
• 기계적 굽힘을 통해 최대 0.3%의 압축 응력을 가하여 이종계면에서의 밴드 구조를 조절하기.
• 자기 공급 전원 작동을 확인하기 위해 0V 편향 조건 하에서 전기적 및 광전기적 성질을 특성화하기.
• 가시광선에서 가까운 적외선 스펙트럼(400–1000 nm) 범위에서 어둠의 전류 및 광응답도 측정하기.
• 전자 구조 계산 및 실험 데이터를 통합하여 응력 유도된 금속간 밴드 갭 및 밴드 구조 변화 분석하기.
• 다양한 응력 및 조도 조건에서의 응답도 및 반응 시간 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유연한 기반에 2차원 반데르발스 이종구조를 사용하여 자가 공급 전원 광검출기의 복합 대역폭 반응을 실현할 수 있는가?
• RQ2 최대 0.3%의 압축 응력이 MoS2/Sb2Te3 이종접합의 밴드 구조 및 광전기적 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 응력 조절이 가능한 자가 공급 전원 장치에서 달성 가능한 광응답도와 어둠의 전류는 무엇인가?
• RQ4 응력 공학이 2차원 이종구조 광검출기에서 광흡수 및 응답도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 이 장치 구조는 유연하고 웨어러블 광전자 분야의 실용적 응용을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 몇 페타암페어 수준의 낮은 어둠의 전류를 나타내어, 0V 편향 조건에서 열 누설이 매우 잘 억제됨을 시사한다.
• 가시광선에서 가까운 적외선 스펙트럼(400–1000 nm) 전역에서 높은 광응답도 0.12 A/W를 달성하여 복합 대역폭 반응을 입증한다.
• 최대 0.3%의 압축 응력 적용으로 측정 가능한 밴드 구조 조절이 발생하여 이종접합의 전자적 및 광학적 성질이 변화함을 확인한다.
• 응력 조절이 응답도 향상에 뚜렷한 기여를 하여 기계적 응력이 성능 최적화에 효과적임을 입증한다.
• 응력 조건에서도 자가 공급 전원 작동이 유지되어 웨어러블 및 이동식 센싱 시스템의 저전력 소비를 가능하게 한다.
• 유연한 기반은 기계적 내구성과 적응성(컨포터메이션)을 제공하여 동적 및 웨어러블 환경에 통합하는 데 유리하다.