กระแสมืดสูงอาจทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสงอินฟราเรดลดลงอย่างมาก อุปกรณ์ที่สามารถตรวจจับโฟตอนในรูปของรังสีอินฟราเรด เป็นเวลาหลายปี วิธีแก้ปัญหาส่วนใหญ่ในการปิดกั้นกระแสมืดใช้สนามไฟฟ้าภายในเครื่องตรวจจับ
นักวิจัยจาก Chinese Academy of Sciences ได้คิดค้นวิธีแก้ปัญหาทางเลือกในการปราบปรามกระแสมืดในเครื่องตรวจจับแสง ซึ่งอิงจากการใช้โครงสร้าง heterostructure ของ van der Waals (vdW) พวกเขานำเสนอ photodetectors อุปสรรค unipolar อินฟราเรดที่มองเห็นได้และความยาวคลื่นกลางที่ทำจากโครงสร้าง heterostructure vdW ที่ออกแบบด้วยวงดนตรี
“เนื่องจาก Bell Labs ผลิต Si-based ทางแยกพีเอ็น ในปี พ.ศ. 1935 การใช้สนามไฟฟ้าในตัวในบริเวณพร่องกลายเป็นเส้นทางทางเทคนิคหลักในการปิดกั้นกระแสมืด ในเครื่องตรวจจับแสงอินฟราเรดแบบแยกส่วน PN แบบดั้งเดิม การรวมตัวกันใหม่ของ Shockley-read-Hall (SRH) และการรวมตัวกันใหม่ของพื้นผิวในพื้นที่พร่องจะจำกัดการปราบปรามของกระแสมืดอย่างจริงจัง เพื่อตอบสนองต่อปัญหาเหล่านี้ วิศวกรได้แนะนำโครงสร้างอุปกรณ์ใหม่นอกเหนือจากจุดเชื่อมต่อ PN ซึ่งก็คือโครงสร้างกั้นแบบขั้วเดียว
แนวคิดหลักที่อยู่เบื้องหลัง vdW unipolar barrier heterostructures สามารถใช้เพื่อยับยั้งกระแสมืดภายในตัวตรวจจับแสง อันที่จริงแล้วโครงสร้างเหล่านี้สามารถช่วยให้ตัวตรวจจับแสงอินฟราเรดทำงานที่อุณหภูมิสูงได้ด้วยการปิดกั้นพาหะส่วนใหญ่ ในที่สุดจึงได้ประสิทธิภาพที่โดดเด่น
"โครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง vdW unipolar ใหม่ที่นำเสนออาจเป็นวิธีแก้ปัญหาคอขวดของกระแสมืดในเครื่องตรวจจับแสงอินฟราเรดและปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสงอินฟราเรด" นักวิจัยกล่าว "ในที่สุด พวกเขาจึงสามารถอำนวยความสะดวกในการเปลี่ยน 'lab-to-fab' ของวัสดุสองมิติ (2D) ในการใช้งานอินฟราเรดได้"
เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิจัยจำนวนมากขึ้นได้เริ่มออกแบบและใช้เครื่องตรวจจับแสงที่มีโครงสร้างกั้นแบบขั้วเดียว (โดยทั่วไปคือ nBn และ pBp heterostructures) เพื่อยับยั้งกระแสมืดและเปิดใช้งานการทำงานที่อุณหภูมิสูง ชั้นกั้นเหล่านี้สามารถป้องกันกระแสมืดได้ แต่ปล่อยให้กระแสโฟโตเคอร์เรนซีไหลได้อย่างอิสระ
"ในกรณีของ nBn อุปสรรคของแถบการนำไฟฟ้าสามารถป้องกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากชั้นสัมผัสไปยังชั้นดูดซับได้อย่างมีประสิทธิภาพ และทำให้กระแสพื้นผิวลดทอนลงอย่างมาก" นักวิจัยอธิบาย “ในขณะเดียวกัน การกระจายตัวของบริเวณพร่องจะอยู่ใกล้กับชั้นกั้นแบบแถบกว้าง ซึ่งช่วยลดกระแส SRH นอกจากนี้ ด้วยการลดลงของความเข้มข้นของพาหะในชั้นดูดซับ การรวมตัวของสว่านซึ่งกำหนดเสียงร้อนสามารถถูกระงับได้อย่างมีประสิทธิภาพ”
เมื่อออกแบบเลเยอร์กั้นภายในเครื่องตรวจจับแสง วิศวกรควรคำนึงถึงคุณลักษณะต่างๆ เช่น การจัดแนวสายรัดและการจับคู่โครงตาข่าย เครื่องตรวจจับแสงที่มีอุปสรรค vdW unipolar สามารถทำจากวัสดุสองมิติ (2D) ซึ่งหลีกเลี่ยงตาข่ายไม่ตรงกันและข้อบกพร่องของส่วนต่อประสานที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวที่ทู่เองตามธรรมชาติ วัสดุ 2D ที่สะดวกสบายยังมีโครงสร้างแถบที่ปรับเลเยอร์ได้ ซึ่งสามารถออกแบบทางวิทยาศาสตร์และวางซ้อนกันเพื่อสร้างการจัดตำแหน่งแถบ nBn หรือ pBp
นักวิจัยกล่าวว่า "สิ่งกีดขวางแบบขั้วเดียวสามารถยับยั้งกระแสมืดได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการแนะนำชั้นกั้นแบบ bandgap ขนาดใหญ่" “ดังนั้น เครื่องตรวจจับแสงชนิดแผงกั้นแบบขั้วเดียวจึงสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าทางแยก pn ที่มีกระแสมืดเท่ากันหรือมีประสิทธิภาพการทำงานที่สูงกว่าที่อุณหภูมิเดียวกัน”
นักวิจัยและเพื่อนร่วมงานเป็นคนแรกๆ ที่ค้นพบเครื่องตรวจวัดแสงที่มีอุปสรรค wdW unipolar โดยอาศัยวัสดุชั้น 2D นอกจากนี้ พวกเขายังทำการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบของส่วนประกอบของกระแสมืดในโครงสร้างกั้นแบบขั้วเดียว
ในอนาคต เครื่องตรวจจับแสงที่สร้างขึ้นโดยทีมนักวิจัยนี้สามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์ตรวจจับและถ่ายภาพต่างๆ นอกจากนี้ งานของพวกเขายังสามารถสร้างแรงบันดาลใจให้ทีมอื่นๆ สร้างเครื่องตรวจจับแสงที่คล้ายกันโดยใช้ 2D วัสดุชั้น
"โครงสร้าง heterostructures vdW unipolar ใหม่ที่นำเสนอนี้เป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญในการเปลี่ยนผ่าน 'lab-to-fab' ของวัสดุสองมิติในด้านการใช้งานอินฟราเรดเช่นการสำรวจระยะไกลและการถ่ายภาพอินฟราเรด" นักวิจัยกล่าว “จากการวิจัยก่อนหน้านี้ การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างใหม่ อาร์เรย์ระนาบโฟกัสอินฟราเรดที่ปรับขนาดได้ (FPA) และการใช้งานที่ใช้งานได้ เช่น การตรวจจับแถบความถี่คู่และการถ่ายภาพอินฟราเรดแบบโพลาไรซ์เป็นเป้าหมายต่อไปของเรา”