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

Moderne technologie is sterk afhankelijk van apparaten die licht kunnen zien en dit kunnen omzetten in elektriciteit. Deze componenten, bekend als fotodetectoren, zijn de ogen van onze digitale wereld en maken alles mogelijk, van de camera's in onze smartphones tot de sensoren die milieuveranderingen monitoren en de apparatuur die wordt gebruikt bij medische beeldvorming. Om deze apparaten beter, sneller en gevoeliger te maken, zoeken wetenschappers voortdurend naar nieuwe materialen die efficiënter met licht kunnen interageren dan het silicium dat in traditionele elektronica wordt gebruikt. Een veelbelovende kandidaat is een materiaal genaamd molybdeendisulfide, dat bestaat uit extreem dunne lagen atomen. Hoewel een enkele laag van dit materiaal slechts enkele atomen dik is, bezit het unieke eigenschappen die het mogelijk maken om licht te absorberen en elektrische ladingen zeer snel te verplaatsen. Het groeien van deze materialen op een manier die zowel groot genoeg is om nuttig te zijn als correct gestructureerd voor hoge prestaties, is echter een hardnekkige uitdaging gebleken.

In een recente studie hebben onderzoekers aan het Jaypee Institute of Information Technology deze uitdaging aangepakt door een nieuw type lichtsensor te creëren met behulp van een grote plaat verticaal staande molybdeendisulfide-vlokken. In plaats van het materiaal plat als een pannenkoek neer te leggen, gebruikte het team een proces genaamd chemische dampdepositie om het materiaal zo te laten groeien dat de kleine vlokken op hun zijden stonden, wat leek op een dicht bos van microscopische bladen. Ze bouwden vervolgens een apparaat door een laag aluminiummetaal bovenop dit verticale bos te plaatsen, dat op een siliciumbasis rustte. Deze opstelling creëerde een junctie waar de verschillende materialen elkaar ontmoetten, wat een pad vormde voor elektriciteit om te stromen wanneer er licht op viel. De onderzoekers wilden zien of deze specifieke, rechtopstaande structuur licht beter kon detecteren dan platte versies, met name onder ultraviolet en zichtbaar licht.

Om te begrijpen wat ze hadden gebouwd, bekeken de onderzoekers het materiaal eerst onder krachtige microscopen en met lasergebaseerde instrumenten. De afbeeldingen toonden aan dat de vlokken inderdaad recht omhoog stonden, met lengtes variërend van 220 tot 240 nanometer en ongelooflijk scherpe punten die slechts 10 tot 20 nanometer breed waren. De laseranalyse bevestigde dat het materiaal hoog kristallijn was, wat betekent dat de atomen in een zeer ordelijke en sterke structuur waren gerangschikt, wat essentieel is voor het verplaatsen van elektriciteit zonder energieverlies. De onderzoekers ontdekten dat de scherpe, rechtopstaande randen van deze vlokken cruciaal waren, omdat ze een groot aantal actieve locaties blootstelden waar licht geabsorbeerd kon worden en waar elektrische ladingen efficiënt gegenereerd en verzameld konden worden.

Toen het team testte hoe het apparaat zich gedroeg met elektriciteit, ontdekten ze dat de verbinding tussen het metaal en de halfgeleider soepel en efficiënt was, waardoor ladingen gemakkelijk konden stromen zonder vast te lopen. Vervolgens schijnen ze verschillende soorten licht op het apparaat om te zien hoe het reageerde. In het donker had het apparaat een basisniveau van elektrische geleidbaarheid. Wanneer ze een bron van zichtbaar licht inschakelden, nam de geleidbaarheid licht toe met ongeveer 2,8 procent. Echter, wanneer ze ultraviolet licht gebruikten, dat meer energie draagt, sprong de geleidbaarheid met bijna 15 procent omhoog. Deze aanzienlijke stijging onder ultraviolet licht suggereft dat het apparaat bijzonder goed is in het detecteren van dit deel van het spectrum. De onderzoekers berekenden dat het apparaat inkomend ultraviolet licht met een hoog niveau van efficiëntie in een elektrisch signaal kan omzetten, waarbij een stroom van 320 milliampère per watt lichtvermogen wordt geproduceerd, een cijfer dat veel vergelijkbare apparaten uit andere studies overtreft.

De studie onderzocht ook dieper hoe het apparaat zich gedroeg onder verschillende elektrische omstandigheden en frequenties. Door te meten hoe het apparaat elektrische lading opslaat en vrijgeeft, ontdekte het team dat de interface tussen het molybdeendisulfide en het silicium bepaalde imperfecties bevat, bekend als valstaanheden (trap states), die elektronen kunnen vangen en vrijgeven. Deze vallen beïnvloedden hoe het apparaat reageerde op licht en elektriciteit, vooral bij verschillende meet snelheden. Ondanks deze imperfecties hielp de verticale structuur van het materiaal de ladingen om snel van de onderkant van het apparaat naar de bovenkant te bewegen, waardoor de kans werd geminimaliseerd dat ze verloren zouden gaan of zouden recombineren voordat ze werden gedetecteerd. Het ingebouwde elektrische potentiaal van het apparaat verschoof lichtjes wanneer het aan licht werd blootgesteld, wat aangeeft dat de inkomende fotonen het interne elektrische veld actief veranderden om ladingen te helpen scheiden.

Uiteindelijk demonstreert dit werk dat het kweken van molybdeendisulfide in een verticale, randrijke oriëntatie een zeer effectief platform creëert voor het detecteren van licht. De scherpe punten van de vlokken en de directe paden die ze bieden voor elektronen stellen het apparaat in staat om sterk te reageren op ultraviolette straling, terwijl het een goede prestatie behoudt onder zichtbaar licht. De bevindingen suggereren dat wetenschappers, door zorgvuldig te controleren hoe deze materialen worden gekweekt, fotodetectoren kunnen creëren die niet alleen gevoelig zijn, maar ook in staat zijn om efficiënt te werken over een breed scala aan lichtcondities. Deze aanpak biedt een duidelijk pad naar de ontwikkeling van de volgende generatie sensoren die responsiever en betrouwbaarder zijn voor gebruik in geavanceerde optische systemen.