બાયપોલર દ્વિ-પરિમાણીય હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર

દ્વિધ્રુવીય દ્વિ-પરિમાણીયહિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર

બાયપોલર દ્વિ-પરિમાણીય હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર (APD ફોટોડિટેક્ટર) અતિ-નીચા અવાજ અને ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા શોધ પ્રાપ્ત કરે છે

થોડા ફોટોન અથવા તો સિંગલ ફોટોનની ઉચ્ચ-સંવેદનશીલતા શોધ નબળા પ્રકાશ ઇમેજિંગ, રિમોટ સેન્સિંગ અને ટેલિમેટ્રી અને ક્વોન્ટમ કમ્યુનિકેશન જેવા ક્ષેત્રોમાં મહત્વપૂર્ણ એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ ધરાવે છે. તેમાંથી, નાના કદ, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા અને સરળ એકીકરણની લાક્ષણિકતાઓને કારણે હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર (APD) ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણ સંશોધન ક્ષેત્રમાં એક મહત્વપૂર્ણ દિશા બની ગયું છે. સિગ્નલ-ટુ-નોઇઝ રેશિયો (SNR) એ APD ફોટોડિટેક્ટરનું એક મહત્વપૂર્ણ સૂચક છે, જેને ઉચ્ચ ગેઇન અને ઓછા ડાર્ક કરંટની જરૂર હોય છે. દ્વિ-પરિમાણીય (2D) સામગ્રીના વાન ડેર વાલ્સ હેટરોજંક્શન પરના સંશોધન ઉચ્ચ-પ્રદર્શન APDs ના વિકાસમાં વ્યાપક સંભાવનાઓ દર્શાવે છે. ચીનના સંશોધકોએ બાયપોલર દ્વિ-પરિમાણીય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી WSe₂ ને ફોટોસેન્સિટિવ સામગ્રી તરીકે પસંદ કર્યું અને પરંપરાગત APD ફોટોડિટેક્ટરની અંતર્ગત ગેઇન અવાજ સમસ્યાને ઉકેલવા માટે, શ્રેષ્ઠ મેચિંગ કાર્ય કાર્ય ધરાવતા Pt/WSe₂/Ni માળખું સાથે કાળજીપૂર્વક તૈયાર કરેલ APD ફોટોડિટેક્ટર પસંદ કર્યું.

સંશોધન ટીમે Pt/WSe₂/Ni માળખા પર આધારિત હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટરનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો, જેણે ઓરડાના તાપમાને fW સ્તરે અત્યંત નબળા પ્રકાશ સંકેતોની અત્યંત સંવેદનશીલ શોધ પ્રાપ્ત કરી. તેઓએ દ્વિ-પરિમાણીય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી WSe₂ પસંદ કરી, જેમાં ઉત્તમ વિદ્યુત ગુણધર્મો છે, અને Pt અને Ni ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીને સંયુક્ત કરીને એક નવા પ્રકારના હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટરને સફળતાપૂર્વક વિકસાવવામાં મદદ કરી. Pt, WSe₂ અને Ni વચ્ચેના કાર્ય કાર્યને ચોક્કસ રીતે ઑપ્ટિમાઇઝ કરીને, એક પરિવહન પદ્ધતિ ડિઝાઇન કરવામાં આવી હતી જે અસરકારક રીતે શ્યામ વાહકોને અવરોધિત કરી શકે છે જ્યારે પસંદગીયુક્ત રીતે ફોટોજનરેટેડ વાહકોને પસાર થવા દે છે. આ પદ્ધતિ વાહક અસર આયનીકરણને કારણે થતા અતિશય અવાજને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે, જે ફોટોડિટેક્ટરને અત્યંત ઓછા અવાજ સ્તરે અત્યંત સંવેદનશીલ ઓપ્ટિકલ સિગ્નલ શોધ પ્રાપ્ત કરવામાં સક્ષમ બનાવે છે.

પછી, નબળા વિદ્યુત ક્ષેત્ર દ્વારા પ્રેરિત હિમપ્રપાત અસર પાછળની પદ્ધતિને સ્પષ્ટ કરવા માટે, સંશોધકોએ શરૂઆતમાં WSe₂ સાથે વિવિધ ધાતુઓના અંતર્ગત કાર્ય કાર્યોની સુસંગતતાનું મૂલ્યાંકન કર્યું. વિવિધ ધાતુ ઇલેક્ટ્રોડ સાથે ધાતુ-સેમિકન્ડક્ટર-મેટલ (MSM) ઉપકરણોની શ્રેણી બનાવવામાં આવી હતી અને તેમના પર સંબંધિત પરીક્ષણો હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. વધુમાં, હિમપ્રપાત શરૂ થાય તે પહેલાં વાહક સ્કેટરિંગ ઘટાડીને, અસર આયનીકરણની રેન્ડમનેસ ઘટાડી શકાય છે, જેનાથી અવાજ ઓછો થાય છે. તેથી, સંબંધિત પરીક્ષણો હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. સમય પ્રતિભાવ લાક્ષણિકતાઓના સંદર્ભમાં Pt/WSe₂/Ni APD ની શ્રેષ્ઠતા દર્શાવવા માટે, સંશોધકોએ વિવિધ ફોટોઇલેક્ટ્રિક ગેઇન મૂલ્યો હેઠળ ઉપકરણની -3 dB બેન્ડવિડ્થનું વધુ મૂલ્યાંકન કર્યું.

પ્રાયોગિક પરિણામો દર્શાવે છે કે Pt/WSe₂/Ni ડિટેક્ટર ઓરડાના તાપમાને અત્યંત ઓછા અવાજ સમકક્ષ શક્તિ (NEP) દર્શાવે છે, જે ફક્ત 8.07 fW/√Hz છે. આનો અર્થ એ છે કે ડિટેક્ટર અત્યંત નબળા ઓપ્ટિકલ સિગ્નલો ઓળખી શકે છે. વધુમાં, આ ઉપકરણ 5×10⁵ ના ઉચ્ચ ગેઇન સાથે 20 kHz ની મોડ્યુલેશન ફ્રીક્વન્સી પર સ્થિર રીતે કાર્ય કરી શકે છે, જે પરંપરાગત ફોટોવોલ્ટેઇક ડિટેક્ટર્સની તકનીકી અવરોધને સફળતાપૂર્વક હલ કરી શકે છે જે ઉચ્ચ ગેઇન અને બેન્ડવિડ્થને સંતુલિત કરવામાં મુશ્કેલ છે. આ સુવિધા તેને ઉચ્ચ ગેઇન અને ઓછા અવાજની જરૂર હોય તેવા એપ્લિકેશનોમાં નોંધપાત્ર ફાયદા પ્રદાન કરશે તેવી અપેક્ષા છે.

આ સંશોધન પ્રદર્શન વધારવામાં મટીરીયલ એન્જિનિયરિંગ અને ઇન્ટરફેસ ઑપ્ટિમાઇઝેશનની મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા દર્શાવે છેફોટોડિટેક્ટરઇલેક્ટ્રોડ્સ અને દ્વિ-પરિમાણીય સામગ્રીની બુદ્ધિશાળી ડિઝાઇન દ્વારા, શ્યામ વાહકોની રક્ષણાત્મક અસર પ્રાપ્ત કરવામાં આવી છે, જે અવાજના હસ્તક્ષેપને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે અને શોધ કાર્યક્ષમતામાં વધુ સુધારો કરે છે.

આ ડિટેક્ટરનું પ્રદર્શન ફક્ત ફોટોઇલેક્ટ્રિક લાક્ષણિકતાઓમાં જ પ્રતિબિંબિત થતું નથી, પરંતુ તેની વ્યાપક એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ પણ છે. ઓરડાના તાપમાને શ્યામ પ્રવાહને અસરકારક રીતે અવરોધિત કરવા અને ફોટોજનરેટેડ કેરિયર્સના કાર્યક્ષમ શોષણ સાથે, આ ડિટેક્ટર પર્યાવરણીય દેખરેખ, ખગોળશાસ્ત્રીય અવલોકન અને ઓપ્ટિકલ સંચાર જેવા ક્ષેત્રોમાં નબળા પ્રકાશ સંકેતો શોધવા માટે ખાસ કરીને યોગ્ય છે. આ સંશોધન સિદ્ધિ માત્ર ઓછા-પરિમાણીય સામગ્રી ફોટોડિટેક્ટરના વિકાસ માટે નવા વિચારો પ્રદાન કરે છે, પરંતુ ઉચ્ચ-પ્રદર્શન અને ઓછી-શક્તિવાળા ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના ભવિષ્યના સંશોધન અને વિકાસ માટે નવા સંદર્ભો પણ પ્રદાન કરે છે.