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

La tecnologia moderna si affida pesantemente a dispositivi in grado di vedere la luce e trasformarla in elettricità. Questi componenti, noti come fotodiodi, sono gli occhi del nostro mondo digitale, consentendo tutto, dalle fotocamere dei nostri smartphone ai sensori che monitorano i cambiamenti ambientali e alle apparecchiature utilizzate nell'imaging medico. Per rendere questi dispositivi migliori, più veloci e più sensibili, gli scienziati cercano costantemente nuovi materiali che possano interagire con la luce in modo più efficiente rispetto al silicio utilizzato nell'elettronica tradizionale. Un candidato promettente è un materiale chiamato disolfuro di molibdeno, che consiste in strati di atomi estremamente sottili. Sebbene un singolo strato di questo materiale sia spesso solo pochi atomi, possiede proprietà uniche che gli permettono di assorbire la luce e muovere le cariche elettriche molto rapidamente. Tuttavia, far crescere questi materiali in un modo che sia sia abbastanza grande da essere utile sia strutturato correttamente per alte prestazioni è stata una sfida persistente.

In uno studio recente, i ricercatori del Jaypee Institute of Information Technology hanno affrontato questa sfida creando un nuovo tipo di sensore di luce utilizzando un grande foglio di scaglie di disolfuro di molibdeno disposte verticalmente. Invece di stendere il materiale in piano come un pancake, il team ha utilizzato un processo chiamato deposizione chimica da vapore per far crescere il materiale in modo che le minuscole scaglie stessero in piedi sui loro bordi, somigliando a una fitta foresta di lame microscopiche. Hanno poi costruito un dispositivo posizionando uno strato di metallo di alluminio sopra questa foresta verticale, che poggiava su una base di silicio. Questa configurazione ha creato una giunzione dove i diversi materiali si incontravano, formando un percorso per il flusso di elettricità quando la luce la colpiva. I ricercatori volevano vedere se questa specifica struttura verticale potesse rilevare la luce meglio delle versioni piatte, in particolare sotto la luce ultravioletta e visibile.

Per capire cosa avevano costruito, il team ha prima esaminato il materiale sotto potenti microscopi e con strumenti basati sul laser. Le immagini hanno rivelato che le scaglie stavano effettivamente in piedi verticalmente, con lunghezze comprese tra 220 e 240 nanometri e punte incredibilmente affilate larghe solo 10 o 20 nanometri. L'analisi laser ha confermato che il materiale era altamente cristallino, il che significa che gli atomi erano disposti in un modello molto ordinato e forte, essenziale per muovere l'elettricità senza perdere energia. I ricercatori hanno scoperto che i bordi verticali e affilati di queste scaglie erano cruciali perché esponevano un gran numero di siti attivi dove la luce poteva essere assorbita e dove le cariche elettriche potevano essere generate e raccolte efficientemente.

Quando il team ha testato come il dispositivo si comportava con l'elettricità, ha scoperto che la connessione tra il metallo e il semiconduttore era fluida ed efficiente, permettendo alle cariche di scorrere facilmente senza bloccarsi. Hanno poi fatto incidere diverse tipologie di luce sul dispositivo per vedere come rispondeva. Al buio, il dispositivo presentava un livello basale di conduttanza elettrica. Quando hanno acceso una sorgente di luce visibile, la conduttanza è aumentata leggermente di circa il 2,8 percento. Tuttavia, quando hanno utilizzato la luce ultravioletta, che trasporta più energia, la conduttanza è balzata di quasi il 15 percento. Questo significativo aumento sotto la luce ultravioletta suggerisce che il dispositivo è particolarmente bravo a percepire questa parte dello spettro. I ricercatori hanno calcolato che il dispositivo poteva convertire la luce ultravioletta in entrata in un segnale elettrico con un alto livello di efficienza, producendo una corrente di 320 milliampere per watt di potenza luminosa, una cifra che supera molti dispositivi simili riportati in altri studi.

Lo studio ha anche esaminato più a fondo come il dispositivo si comportava sotto diverse condizioni elettriche e frequenze. Misurando il modo in cui il dispositivo immagazzinava e rilasciava la carica elettrica, il team ha scoperto che l'interfaccia tra il disolfuro di molibdeno e il silicio conteneva certe imperfezioni, note come stati di trappola, che potevano catturare e rilasciare elettroni. Queste trappole influenzavano il modo in cui il dispositivo rispondeva alla luce e all'elettricità, specialmente a diverse velocità di misurazione. Nonostante queste imperfezioni, la struttura verticale del materiale aiutava le cariche a muoversi rapidamente dal fondo del dispositivo alla parte superiore, minimizzando la possibilità che si perdessero o si ricombinassero prima di essere rilevate. Il potenziale elettrico integrato del dispositivo si è spostato leggermente quando esposto alla luce, indicando che i fotoni in entrata stavano attivamente cambiando il campo elettrico interno per aiutare la separazione delle cariche.

In definitiva, questo lavoro dimostra che far crescere il disolfio di molibdeno in un orientamento verticale e ricco di bordi crea una piattaforma altamente efficace per rilevare la luce. Le punte affilate delle scaglie e i percorsi diretti che esse forniscono agli elettroni permettono al dispositivo di rispondere fortemente alla radiazione ultravioletta mantenendo al contempo buone prestazioni sotto la luce visibile. Le scoperte suggeriscono che, controllando attentamente il modo in cui questi materiali vengono coltivati, gli scienziati possono creare fotodiodi che non siano solo sensibili, ma anche capaci di operare efficientemente attraverso una vasta gamma di condizioni luminose. Questo approccio offre una via chiara verso lo sviluppo di sensori di prossima generazione che siano più reattivi e affidabili per l'uso in sistemi ottici avanzati.