Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Светодиоды с настраиваемой длиной волны и фотодетектором на основе черного фосфора

 

В зависимости от проекта и специфики применения инженеры испытывают неоднозначное отношение к напряжению, то есть к силе или давлению, приложенным к материалу (не путать с деформацией - результирующим изменением размеров в этом материале). С одной стороны, напряжение используется для очень полезных применений, таких как пьезоэлектрический эффект и связанные с ним устройства. С другой стороны, напряжение вызывает изменения в характеристиках компонентов и способствует появлению трещин и полному отказу.

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли нашла еще один способ воспользоваться механическим напряжением - они использовали его для создания инфракрасных средневолновых настраиваемых (MWIR) светодиодов (LED) и фотодетекторов (PD). В отличие от многих электрооптических устройств, в которых длина волны не может изменяться из-за применяемых материалов, механическими и тепловыми факторами, что часто является желаемым атрибутом, бывают также случаи, когда возможность изменения длины волны контролируемым образом является полезной функцией.

Исследователи использовали новый полупроводниковый материал, называемый черным фосфором (bP), для создания двух типов оптоэлектронных устройств. Их подход к использованию bP позволяет им настраивать ширину полосы пропускания по своему усмотрению и повторно настраиваться на исходное значение или на другое значение в пределах диапазона.

Возможность использовать более широкий диапазон ИК-спектра и настраиваться в одном устройстве может быть полезна в оптических коммуникациях, тепловизионных изображениях, мониторинге состояния здоровья, спектроскопии, химическом зондировании и т. д. Чтобы продемонстрировать возможности технологии, исследователи использовали одно из своих новых устройств для обнаружения нескольких газов с помощью одного источника света (для каждого из них требуется разная длина волны для оптического распознавания).

Команда использовала очень чувствительный к деформации bP, которая варьируется от 0,22 до 0,53 электрон-вольт (эВ), чтобы продемонстрировать непрерывную и обратимую настройку рабочих длин волн как для светодиодов, так и для PD, состоящих из этого материала (рис. 1).

 

Рис. 1. Настраиваемая деформация в черном фосфоре: (a) Схема, иллюстрирующая анизотропную кристаллическую структуру. (б) схематическое изображение индуцированной деформацией активно настраиваемой запрещенной зоны bP; деформации сжатия и растяжения вызывают красное смещение и синее смещение запрещенной зоны bP соответственно. (c) диаграмма, иллюстрирующая приложение напряжения к bP; деформация сжатия прикладывается при 20°C из-за несоответствия теплового расширения между bP и подложкой, а деформация растяжения прикладывается путем механического изгиба подложки. (d) Нормированные спектры фотолюминесценции bP при нулевой деформации, деформации сжатия (ε; 0,66% по зигзагообразному направлению) и деформации растяжения (ε; 1,21% по зигзагообразному направлению).

 

Что такое черный фосфор?

Черный фосфор - это двумерный материал, похожий на графен. В процессе, называемом отшелушиванием, исследователи используют скотч (да, именно эту ленту), чтобы приподнять нанометровые слои материала, которые затем переносятся на гибкую полимерную подложку, в данном случае полиэтилентерефталатгликоль (PETG). (Интересно, что этот метод отшелушивания очень похож на тот, который использовался для создания первых монослоев графена).

Благодаря своей гофрированной решетчатой структуре, bP обладает уникальными зависимыми от деформации свойствами, включая полосу пропускания, которая очень чувствительна к деформации (рис. 2). При механической деформации bP можно заставить излучать или обнаруживать инфракрасный (ИК) свет в диапазоне длин волн от 2,3 до 5,5 мкм, который охватывает очень полезный коротковолновый и средневолновый ИК-диапазон, причем при комнатной температуре.

 

Эд Блэк Phosphorus Interest Fig2

Рис. 2. Деформация, приложенная к BP: (a) Фотографическое изображение устройства для двухточечного изгиба, используемого здесь. Электрический линейный привод, который может толкать/тянуть одну точку устройства двухточечной гибки, прикладывает непрерывную и точную величину одноосной деформации растяжения к bP. (б) Схема устройства для двухточечного изгиба. Деформация рассчитывается как ε = t sin θ / a, где ε - величина деформации; t - толщина подложки; а - длина подложки; и θ представляет собой угол изгиба, который равен a/(2R), где R - радиус кривизны.

 

В статье исследователей из Мельбурнского университета в Австралии «Оптоэлектроника с активным переменным спектром с черным фосфором», опубликованная в Nature, показывает три достижения:

  • Разработка непрерывной и обратимой настройки электролюминесценции MWIR с использованием гетероструктуры bP – MoS2 на гибкой подложке.
  • Расширение диапазона обнаружения высокочувствительных фотодетекторов bP путем приложения напряжения.
  • Демонстрация оптоэлектронных устройств с активным переменным спектром, работающих в инфракрасном режиме при комнатной температуре, которые обнаруживают несколько газов (таких как CO2, CH4 и H2O) с помощью одного настраиваемого источника инфракрасного света.

Как отметил член команды и научный сотрудник Хёнджин Ким: «Поскольку он механически гибкий, мы можем сгибать его до желаемого радиуса и контролируемо прикладывать усилие к bP». Фактически, изгиб становится эффективным регулятором для управления полосой пропускания bP. Он добавил, что «в нашей работе мы можем активно изменять ширину полосы пропускания черного фосфора, так что один фотодетектор или светодиод может изменять свои рабочие длины волн в диапазоне примерно от двух до пяти микрометров»,

 

Лабораторные тесты и проверка в полевых условиях

Оценить характеристики этих электрооптических материалов нетривиально. Среди других факторов они должны были выделить излучения, вызванные фотолюминесценцией (когда молекула поглощает фотон в видимой области, возбуждая один из своих электронов до более высокого электронного возбужденного состояния, а затем излучает фотон, когда электрон возвращается в более низкое энергетическое состояние) и электролюминесценция (где фотоны генерируются, когда избыточные электронно-дырочные пары создаются электрическим током, запускаемым внешним приложенным смещением).

Устройство для измерения фотолюминесценции было похоже на устройство, показанное на рисунке 3 для электролюминесценции. Основное отличие заключалось в использовании лазерного диода и драйвера в тесте на фотолюминесценцию для стимуляции исследуемого образца вместо источника тока с регулируемым напряжением, показанного для электролюминесценции.

 

Эд Блэк Phosphorus Interest Fig3

 

Рис. 3. Установки для измерения электролюминесценции: излучение bP собиралось отражающим объективом и отправлялось на внешний порт ИК-Фурье спектрометра с f mod= 5 кГц, τ Lock-in= 300 мкс и оптической скоростью = 0,0633. см/с.

 

В их статье показано множество графиков в зависимости от нескольких переменных, среди которых Рисунок 4 для характеристик светодиодов и Рисунок 5 для фотодетектирования.

 

Рис. 4. Настраиваемые светодиоды MWIR на основе гетероструктуры bP-MoS2: (a) Схема, показывающая настраиваемый под действием напряжения светодиод bP-MoS2 (b) Схема архитектуры устройства, демонстрирующая электролюминесценцию MWIR при прямом смещении через bP-MoS2 гетеропереход на полиимидной подложке. (c) Оптическая микрофотография репрезентативного устройства. (г) Спектры деформационно-зависимой электролюминесценции. (e) Светоточные характеристики при деформации сжатия 0,20% или при растяжении 1,06% - вставка: нормализованная интегральная интенсивность электролюминесценции как функция угла поляризации излучения.

 

Эд Блэк Phosphorus Interest Fig5

Рис. 5. Фотоприемника с деформационной перестройкой на основе bP: (а) Схема деформационно-перестраиваемого фотоприемника на bP (б) Схема архитектуры устройства, показывающая генерацию фототока при напряжении смещения. (c) Оптическая микрофотография устройства: (D - сток, S - исток). (г) Спектральный фотоотклик, зависящий от деформации. (A/W - амперы/ватт). (e) Поляризационно-зависимая чувствительность при 4,0 мкм и 2,0 мкм для устройства при деформации сжатия 0,4% и деформации растяжения 1,0%, соответственно.

Для реальных «полевых» испытаний исследователи использовали регулируемую деформацией полосу пропускания bP, чтобы продемонстрировать оптоэлектронный прибор с активным переменным спектром (AVSO), работающий в инфракрасном режиме при комнатной температуре (рис. 6). Они утверждают, что их недисперсный инфракрасный (NDIR) газоанализатор сконфигурирован как мультиплексная система обнаружения газа с одним источником света. Система настраивается в широком диапазоне для соответствия различным целевым газам и имеет более низкую рабочую мощность, более быструю модуляцию и более быструю стабилизацию по сравнению с коммерческими установками, которым требуются разные источники ИК-излучения для обнаружения различных газов (здесь H2O, CO2, N2и CH4).

 


Рис.6. Обнаружение газа NDIR с использованием светодиодов с регулируемой деформацией: (a) Схематическая диаграмма, показывающая систему обнаружения газа NDIR с использованием светодиода bP с регулируемой деформацией. (MFC = регулятор массового расхода). (б, в) Нормированные спектры электролюминесценции светодиода bP (0,2%; сжатый) в присутствии газа CO 2 (б) и светодиода bP (0,3%; растяжение) в присутствии газа CH 4 (c) при различных концентрациях.

 

Источник: www.electronicdesign.com