Dòng điện tối cao có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của bộ tách sóng quang hồng ngoại, thiết bị có thể phát hiện các photon dưới dạng bức xạ hồng ngoại. Trong nhiều năm, hầu hết các giải pháp để ngăn chặn dòng điện tối đều sử dụng điện trường bên trong các máy dò.
Các nhà nghiên cứu tại Học viện Khoa học Trung Quốc gần đây đã phát minh ra một giải pháp thay thế để ngăn chặn dòng điện tối trong bộ tách sóng quang, dựa trên việc sử dụng các dị cấu trúc van der Waals (vdW). Họ trình bày các vectơ quang cản đơn cực hồng ngoại bước sóng trung và nhìn thấy được làm bằng các dị cấu trúc vdW được thiết kế theo dải.
“Kể từ khi Bell Labs sản xuất thiết bị dựa trên Si Ngã ba PN vào năm 1935, việc sử dụng điện trường tích hợp ở vùng cạn kiệt đã trở thành con đường kỹ thuật chính để chặn dòng điện tối. Trong bộ tách sóng quang hồng ngoại tiếp giáp PN truyền thống, sự tái hợp Shockley-read-Hall (SRH) cao và tái hợp bề mặt trong vùng cạn kiệt đã hạn chế nghiêm trọng việc triệt tiêu dòng điện tối. Để giải quyết những vấn đề này, các kỹ sư đã giới thiệu một cấu trúc thiết bị mới ngoài điểm nối PN, cụ thể là cấu trúc rào cản đơn cực.
Ý tưởng chính đằng sau các dị cấu trúc rào cản đơn cực vdW có thể được sử dụng để triệt tiêu dòng điện tối bên trong các bộ tách sóng quang. Trên thực tế, bằng cách chặn phần lớn các sóng mang, các cấu trúc này cuối cùng có thể cho phép các bộ tách sóng quang hồng ngoại hoạt động ở nhiệt độ cao, đạt được hiệu suất đáng kể.
Các nhà nghiên cứu cho biết: “Các dị cấu trúc rào cản đơn cực vdW mới lạ được đề xuất có thể là một giải pháp cho sự tắc nghẽn của dòng điện tối trong các bộ tách sóng quang hồng ngoại và cải thiện hơn nữa hiệu suất của các bộ tách sóng quang hồng ngoại”. “Cuối cùng, họ có thể tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi 'lab-to-fab' của vật liệu hai chiều (2D) trong các ứng dụng hồng ngoại."
Gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã bắt đầu thiết kế và sử dụng bộ tách sóng quang có cấu trúc rào cản đơn cực (điển hình là cấu trúc dị cấu trúc nBn và pBp) để ngăn chặn dòng điện tối và cho phép hoạt động ở nhiệt độ cao. Các lớp chắn này có thể chặn dòng điện tối, nhưng chúng cho phép dòng quang tự do chạy qua.
Các nhà nghiên cứu giải thích: “Trong trường hợp của nBn, hàng rào vùng dẫn có thể ngăn chặn hiệu quả sự di chuyển của các electron từ lớp tiếp xúc đến lớp hấp thụ và làm cho dòng điện bề mặt suy giảm rất nhiều. “Đồng thời, sự phân bố của vùng suy giảm gần với lớp rào cản dải tần rộng làm giảm TSGTKS. Ngoài ra, với việc giảm nồng độ hạt tải điện trong lớp hấp thụ, sự tái kết hợp Auger xác định tiếng ồn nóng có thể bị triệt tiêu một cách hiệu quả. "
Khi thiết kế lớp chắn bên trong bộ tách sóng quang, các kỹ sư nên xem xét các đặc điểm như liên kết dải và phù hợp mạng. Do đó, các bộ tách sóng quang có rào cản đơn cực vdW có thể được làm bằng vật liệu hai chiều (2D), tránh được sự sai lệch mạng tinh thể và các khuyết tật giao diện liên quan đến các bề mặt tự thụ động tự nhiên. Thuận tiện, vật liệu 2D cũng có cấu trúc dải có thể điều chỉnh theo lớp, có thể được thiết kế và xếp chồng lên nhau một cách khoa học để tạo ra sự liên kết dải nBn hoặc pBp.
Các nhà nghiên cứu cho biết: “Các rào cản đơn cực có thể ngăn chặn dòng điện tối một cách hiệu quả bằng cách tạo ra một lớp rào cản bandgap lớn. “Do đó, các bộ tách sóng quang hàng rào đơn cực có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn điểm tiếp giáp pn với cùng dòng điện tối hoặc có hiệu suất cao hơn ở cùng nhiệt độ.”
Các nhà nghiên cứu và đồng nghiệp của họ là những người đầu tiên nhận ra bộ tách sóng quang hàng rào đơn cực wdW dựa trên vật liệu phân lớp 2D. Ngoài ra, họ đã tiến hành phân tích một cách có hệ thống các thành phần của dòng điện tối trong các cấu trúc rào cản đơn cực.
Trong tương lai, các bộ tách sóng quang do nhóm các nhà nghiên cứu này tạo ra có thể được sử dụng để tăng cường một số thiết bị cảm biến và hình ảnh. Hơn nữa, công việc của họ có thể truyền cảm hứng cho các nhóm khác tạo ra các bộ tách sóng quang tương tự bằng cách sử dụng 2D vật liệu phân lớp.
Các nhà nghiên cứu cho biết: “Các dị cấu trúc rào cản đơn cực vdW mới lạ được đề xuất tạo ra một bước đột phá công nghệ quan trọng đối với quá trình chuyển đổi 'lab-to-fab' của vật liệu hai chiều trong lĩnh vực ứng dụng hồng ngoại như viễn thám và hình ảnh hồng ngoại," các nhà nghiên cứu cho biết. "Dựa trên nghiên cứu trước đó, tối ưu hóa cấu trúc mới, mảng mặt phẳng tiêu hồng ngoại có thể mở rộng (FPA) và các ứng dụng chức năng như phát hiện băng tần kép và hình ảnh hồng ngoại phân cực là những mục tiêu sau của chúng tôi."