Vertically aligned large area CVD grown MoS2 nanoflakes based heterojunction for UV-Vis range photodetection: An electrical study

Moderne Technologie stützt sich stark auf Geräte, die Licht sehen und es in Elektrizität umwandeln können. Diese Komponenten, bekannt als Fotodetektoren, sind die Augen unserer digitalen Welt und ermöglichen alles – von den Kameras in unseren Smartphones bis hin zu den Sensoren, die Umweltveränderungen überwachen, und der Ausrüstung, die in der medizinischen Bildgebung eingesetzt wird. Um diese Geräte besser, schneller und empfindlicher zu machen, suchen Wissenschaftler ständig nach neuen Materialien, die mit Licht effizienter interagieren können als das Silizium, das in der traditionellen Elektronik verwendet wird. Ein vielversprechender Kandidat ist ein Material namens Molybdändisulfid, das aus extrem dünnen Atomschichten besteht. Während eine einzelne Schicht dieses Materials nur wenige Atome dick ist, besitzt es einzigartige Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, Licht zu absorbieren und elektrische Ladungen sehr schnell zu bewegen. Es war jedoch eine anhaltende Herausforderung, diese Materialien so zu züchten, dass sie sowohl groß genug für den praktischen Gebrauch als auch korrekt strukturiert für eine hohe Leistungsfähigkeit sind.

In einer kürzlich durchgeführten Studie gingen Forscher des Jaypee Institute of Information Technology diese Herausforderung an, indem sie einen neuen Typ von Lichtsensor unter Verwendung einer großen Schicht vertikal stehender Molybdändisulfid-Flocken erstellten. Anstatt das Material flach wie einen Pfannkuchen zu legen, nutzte das Team einen Prozess namens chemische Gasphasenabscheidung, um das Material so zu züchten, dass die winzigen Flocken auf ihren Kanten standen, was einem dichten Wald aus mikroskopischen Klingen ähnelte. Sie bauten dann ein Gerät, indem sie eine Schicht aus Aluminiummetall oben auf diesen vertikalen Wald platzierten, der auf einer Siliziumbasis saß. Dieser Aufbau schuf einen Übergang, an dem die verschiedenen Materialien aufeinandertrafen und einen Pfad für den elektrischen Fluss bildeten, wenn Licht darauf traf. Die Forscher wollten sehen, ob diese spezifische, aufrechte Struktur das Licht besser detektieren konnte als flache Versionen, insbesondere unter ultraviolettem und sichtbarem Licht.

Um zu verstehen, was sie gebaut hatten, untersuchte das Team das Material zuerst unter leistungsstarken Mikroskopen und mit laserbasierten Werkzeugen. Die Bilder zeigten, dass die Flocken tatsächlich aufrecht standen, mit Längen zwischen 220 und 240 Nanometern und unglaublich scharfen Spitzen, die nur 10 bis 20 Nanometer breit waren. Die Laseranalyse bestätigte, dass das Material hochkristallin war, was bedeutet, dass die Atome in einem sehr geordneten und starken Muster angeordnet sind, was entscheidend ist, um Elektrizität ohne Energieverlust zu bewegen. Die Forscher fanden heraus, dass die scharfen, aufrechten Kanten dieser Flocken entscheidend waren, da sie eine große Anzahl aktiver Stellen freilegten, an denen Licht absorbiert werden konnte und an denen elektrische Ladungen effizient erzeugt und gesammelt werden konnten.

Als das Team testete, wie sich das Gerät unter Elektrizität verhielt, stellten sie fest, dass die Verbindung zwischen dem Metall und dem Halbleiter glatt und effizient war, was es den Ladungen ermöglichte, leicht zu fließen, ohne stecken zu bleiben. Sie bestrahlten das Gerät dann mit verschiedenen Arten von Licht, um zu sehen, wie es reagierte. Im Dunkeln wies das Gerät eine Basisleitfähigkeit auf. Als sie eine sichtbare Lichtquelle einschaltele, stieg die Leitfähigkeit leicht um etwa 2,8 Prozent an. Wenn sie jedoch ultraviolettes Licht verwendeten, das mehr Energie trägt, sprang die Leitfähigkeit um fast 15 Prozent nach oben. Dieser signifikante Anstieg unter ultraviolettem Licht deutet darauf sich hin, dass das Gerät besonders gut für diesen Teil des Spektrums geeignet ist. Die Forscher berechneten, dass das Gerät das einfallende ultraviolette Licht mit einem hohen Grad an Effizienz in ein elektrisches Signal umwandeln kann und dabei einen Strom von 320 Milliampere pro Watt Lichtleistung erzeugt – ein Wert, der viele ähnliche in anderen Studien berichtete Geräte übertrifft.

Die Studie untersuchte auch genauer, wie sich das Gerät unter verschiedenen elektrischen Bedingungen und Frequenzen verhielt. Durch die Messung, wie das Gerät elektrische Ladung speichert und freigibt, entdeckte das Team, dass die Grenzfläche zwischen dem Molybdändisulfid und dem Silizium bestimmte Unvollkommenheiten enthielt, die als Fallenzustände (Trap States) bekannt sind und Elektronen einfangen und wieder freisetzen können. Diese Fallen beeinflussten, wie das Gerät auf Licht und Elektrizität reagierte, insbesondere bei unterschiedlichen Messgeschwindigkeiten. Trotz dieser Unvollkommenheiten half die vertikale Struktur des Materials den Ladungen, sich schnell vom Boden des Geräts zum oberen Teil zu bewegen, wodurch die Wahrscheinlichkeit minimiert wurde, dass sie verloren gehen oder rekombinieren, bevor sie detektiert werden. Das eingebaute elektrische Potenzial des Geräts verschob sich leicht, wenn es dem Licht ausgesetzt war, was darauf hindeutete, dass die einfallenden Photonen das interne elektrische Feld aktiv veränderten, um die Ladungen zu trennen.

Letztendlich zeigt diese Arbeit, dass das Züchten von Molybdändisulfid in einer vertikalen, kantenreichen Orientierung eine hocheffektive Plattform zur Detektion von Licht schafft. Die scharfen Spitzen der Flocken und die direkten Pfade, die sie für Elektronen bieten, ermöglichen es dem Gerät, stark auf ultraviolette Strahlung zu reagieren und gleichzeitig eine gute Leistung unter sichtbarem Licht aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse legen nahe, dass Wissenschaftler durch die sorgfältige Kontrolle der Art und Weise, wie diese Materialien gezüchtet werden, Fotodetektoren erschaffen können, die nicht nur empfindlich, sondern auch in der Lage sind, über einen breiten Bereich von Lichtbedingungen effizient zu arbeiten. Dieser Ansatz bietet einen klaren Weg zur Entwicklung von Sensoren der nächsten Generation, die reaktionsschneller und zuverlässiger für den Einsatz in fortschrittlichen optischen Systemen sind.