הבא:Next-Generation Photodetectors

Photodetectors משמש ממשק קריטי בין תחומים אופטיים ואלקטרוניים במערכות תקשורת, לתרגם אור מתואם אותות חשמליים כי אלקטרוניקה מטה הזרם יכול לעבד.ב מקלטים אופטיים מודרניים, הביצועים של photodetector ישירות קובע את שיעור הנתונים האפשרי, הרגישות והטווח הדינמי של הקישור המסורתי סיליקון, בעוד שגודל גבוה וזול, פני גבולות בסיסיים בשל זמן רב, בשל רגישות נמוכה יחסית לסגסוגת מיקרו-סגולה, כמו גם סיליקון 3.

הביקוש הבלתי פוסק של נתונים גבוהים יותר באמצעות חישוב ברשתות סיבים אופטיים (המבוססים על מחשוב ענן, 5G/6G ו-High-definition Video Flow) דחף את החוקרים לחקור פלטפורמות חומר חדשניות שיכולות להתגבר על אילוצים אלה.חומרים מתפתחים – החל מגבי גבישים דו-ממדיים דקים אטומיים ועד לפתרונות מתקדמים של perovskites ו-Streativesssssumts – לא רק כדי להרחיב את טווח הגלים ולשפר את התכונות הגמישות של תכונות אלה, אלא גם ל-F-F-F-reatives-reatives-reatives-reatives-F-Review מבטיחות, אלא גם עבור תכונות אלה.

ראשי התיבות של Optical Acceptr Photodetectors

לפני בחינה של חומרים ספציפיים, חיוני להבין את מדדי הביצועים המניעים בחירה חומרית עבור מקלטים אופטיים.הפרמטרים הבאים הם בדרך כלל אופטימיזציה:

  • (R): היחס של photocurrent:0 (Responsivity (R): היחס של photocurrent לתקרית של כוח אופטי (A/W). תגמול גבוה מפחית את הכוח האופטי הנדרש ב המקלט.
  • (ב) [ה]] [ה][דרוש מקור]]: [ה]] [ה]] [ה]]] ב[ה], [ה], [ה]][ה]]], [ה]], [התחילה], היא תענה על ידי 3 dB.
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • כוח שווה ערך (NEP): LT:1; הכוח האופטי המינימלי מזהה רוחב פס שורש מרובע.
  • (FLT:0) spectral Range: 1FLT:1 מרווח אורך הגל שעליו הגלאי שומר על תגובתיות שימושית.חשוב עבור מערכות מרובות-ראייה גל (WDM).
  • (ב) ,0) זמן תגובה: 1FLT:1 הזמן קבוע של עלייה / ירידה photo Current עלייה.

חומרים מתעוררים לעתים קרובות להצטיין אחד או יותר של מדדים אלה תוך מתן הטבות נוספות כגון גמישות מכנית או תאימות עם פלטפורמות פוטוניקה סיליקון.

שני חומרים

גרפיפן Photodetectors

(ג'ופן, שכבת אטומית אחת של אטומי פחמן מסודרים ב- hexagonal lattice, משכה עניין עצום עבור photodetection בשל תכונות האלקטרוניות והאופטיות יוצאות הדופן שלה (העברה 10FLT:05reaFLT:1 ס"מ FLT:2FLT 3/Vs מושעה) מאפשרת לדגימות אולטרה-מפוטמיות, עם רוחב פס רחב ביותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 ⁇ , 000 מ-FLT) גם כן, 000 רוחב רוחב רוחב רוחב רוחב רוחב רוחב רוחב רוחב פס רחב יותר, 000, 000 000 000, 000 רוחב רוחב רוחב רוחב פס רחב יותר מאשר רוחב רוחב רוחב רוחב פס רחב יותר, 000.

עם זאת, ספיגת האור החלשה של גרפן (-2.3% למונוגרד) מהווה מגבלה בסיסית עבור תגובתיות. Photodetectors בהתבסס על גרפן prise בדרך כלל להציג responsivities נמוך (עשרות של mA/W) אלא אם כן משופר על ידי אנטנה plasmonics, resonant cavities, או שילוב עם מולקולה שונה, כולל מתכת-מתכת, כולל מגנטית גבוהה, כולל מגנטית, תמונות מתכת-מולקוליות, אך ממתכת-מתכת-מתכת-מתכת-מתכת-מסוגיות, אך סובלות, או ממתכת-מתכת-מתכת-מתכת-מולקולנועית, או ממתכת-מולכות, או ממתכת-מתכת-מנטליות, או ממתכת-מנטליות, לעתים קרובות סובלות, או ממתכת-מנטליות, או ממתכת-מולכות זרם תמונות זרם מוליכים למחצה.

(ג) התפתחויות אחרונות להתמקד בגרף היברידי-quantum dot (GQD) photodetectors, שבו dots קוונטית משמש כ סופגנים יעילים וגרף כערוץ תחבורה גבוה של מטען גבוה. GQD מכשירים הוכיחו כי responsivities מעל 10FLT:05FLT:1 A / W תוך שמירה על ננו השניות פעמים A של סקירה מקיפה של גרף 3NCR2NCR יכול למצוא:

Metal Dichalcogenides (TMDs)

(ב) [15] ויקרא יט): [17] ויקרא ויקרא ויקרא יט:2 ויקרא יט:2 ויקרא ויקרא יט: ויקרא יט): ויקרא ויקרא ויקרא ויקרא יט' (ב) , ויקרא יט"ב, ויקרא י"ד) , ויקרא ויקרא ויקרא ויקרא ויקרא ויקרא ,"ד"ד"כ ,"ד , ו"כ ,"ד"ד"ב"ב"ד"ד ,"ב"ב"ב ,"ב ,"ד ,"ב"ד ,"ד ,"ד , , ,"ד , , ,"ד ,"ב ,"ב"ב ,"ב"ב"ב , , ,"ב , ,"ב"ב , ,"ב ,"ב ,"ב ,"ב ,"ב ,"ב"ב ,"ב"ב"ב"ב"ב ,"ב"ב"ב ,"ב"ב"ב"ב"ב"ב

(הופנה מהדף ⁇ ) , תצלומים גמישים מציעים מספר יתרונות: ניתן להפקיד אותם על תת-שכבות שרירותיות, כולל פולימרים גמישים; הם מציגים זרמים אפלים נמוכים (~pA) בשל ה- מתון; והם תואמים עם הרכב ואן דר וואלס הייטרודור (Van der Waals hetero Structure) על ידי מחסנים שונים של TMDs - לדוגמה, MoSFalph:02Falpher: 1-R2Freavetrutoripleve: 2.

אתגרים נשארים בהשגת גדול-area, סרטים מונו-שכבות אחידות עם דגני פגם מבוקרים. שיטות נפילה כימית (CVD) התקדמו אך עדיין נחותים ל flakesated במונחים של נשאיות.המשך עבודה על encapsulation עם hexagonal boron nitride (hBN) ושער ממשיך לדחוף את הביצועים המפורטים על ידי דיון חזותי על תמונות מקודמות על ידי TMFDFDert;

שחור Phosphorus (BP) וחומרים אחרים

זרחן שחור מגשר הפער בין גרפן חסר פער ורחב פספן TMDs.השכבה שלו תלוי חבושגפ (מ -0.3 eV ברובו - 2.0 eV במונו-layer) מכסה את החשוב ליד ובאמצע- infrared spectral Zones (מ-APTS) שיפור משמעותי עבור חומרים אופטיים.P photodetecators הראו responsivities (-Freadation 2) ו-Freative Resive Resive Resive Resive (Dance) כאשר מופעל במהירות גבוהה תגובה (DIVE 2DIVE) ו-FDIVE 2DIVE) ו-FDIVE DNS (DIVE) כלומר: DNS) כלומר: APTIVELIVELIVEDIVELIVE DNSDIVELIVE DNSDIVELIVE DIVE DIVELIVELIVELIVELIVELIVELIVELIVELIVELIVELIVELIVE DIRECTS) באופן משמעותי עבור חומרים מתקדמים) באופן משמעותי עבור חומרים מתקדמים) עם חומרים מתקדמים (DIVELIVE DNS) עם תכונות הפעלה מהירה יותר) עם חומרים מתקדמים) עם תכונות הפעלה מהירה (DIVEDIVEDIVEDIVELIVE

חומרים Perovskite

Metal Halide Perovskites

(ב) hal perovskites, עם הנוסחה הכללית ABXFearph:0 (3Freagli טונה:1 (A=methylammonium, Formamidinium; B=עופרת, tin; X=halide), הפכו למעצמה בפוטובקים וכעת נחקרים ברצינות עבור photodetecators.

Perovskite photodetectors ניתן להמציא באמצעות שיטות עיבוד פתרון פשוטות כגון ספין-קוטינג, להב-קוטינג, או הדפסה דיוג'ט, המציע נתיב לייצור בעלות נמוכה. Responsivities מעל 10FLT:05reaFLT 1 A/W דווחו במכשירים פוטו-מוליכים עקב אפקטים פוטו-מדומים, בעוד תצורה בינונית של סיבים (תוספת CGBD) ל-DMAD (תוספת מצופה) ל-FD.

יציבות היא הדאגה העיקרית: perovskites degrade תחת לחות, חמצן, חום וחשיפה אור רציפה. Encapsulation והנדסת הרכב (למשל, באמצעות מבנים היברידיים 2D / 3D או כל cesium להוביל halides) שיפרו את חיי החיים התפעוליים.אתגר נוסף הוא רעילות מובילה, אשר מניע מחקר לתוך perovskites מבוסס tin (למרות שיש כיום פחות יציבות, 000 חומרים).

המונחים: free Perovskite Variants

כדי לטפל בדאגות הרעילות, החוקרים בוחנים חלופות כגון CsFearLT:0.2Felo:AgBiBribph:2603FLT 3 (double perovskite) ו- bismuth מבוסס halide perovskites.חומרים אלה מציעים ביצועים סבירים של photodetection עם תאימות סביבתית טובה יותר, אם כי עם מעט פחות ופחות קליטה והשוואה למקבלים מבוססי פונקציות תחרותיות.

המונחים:

המונחים: cooid dots

דוטי קוונטיים קולואידאליים (CQDs) הם חלקיקים למחצה nanocrystals בדרך כלל 2-10 nm בגודל, שבו מגבלת קוונטית מאפשרת את ה-Sgap להיות מכוונן ברציפות על ידי שינוי קוטר חלקיקים.חומרים כגון PbS, PbSe, HgTe, ו CdSe CQDs מאפשר phototection מן ה-FS של ה-S-S-CQbS הם רלוונטי ל- CQbS.

פוטודג'טים קוונטיים מציעים מספר תכונות משכנעות: יעילות הפתרון שלהם מאפשרת מחיקה זולה כמעט על כל תת-קרקעי (כולל סיליקון, זכוכית ופלסטסטיק גמיש); ניתן להתאים בדיוק את ספקטרום הקליטה לערוצי לייזר ספציפיים במערכות WDM; ואת יחס פני השטח הגדול לנפח משפר את הרווח המוליכים לתמונות (חיצונית של יעילות קוונטית >%) ו- Lig תפקיד מכריע במלכודת.

בארכיטקטורה של המכשיר, התצורה הנפוצה ביותר הם photodiodes (p-n או Schtttky) ו photoconductors. פריצות דרך האחרונות כוללים את ההפגנה של photodetectors מבוסס CQD עם רוחב פס מעל 1 MHz וגילוייות >10uaFLT:012FLT:1 ג'ונס, עם זאת, את ההחלפה בין רווח ומהירות גבוהה: מוליכים photoin סובל תגובה איטי למלכודת (Dbined) כמו Cmediated) עם גרף מבטיח גרף (DANGEL) עם גרף (DLT) עם זאת, כמו Cmediaed) עם גרף גבוה.com).

המונחים: pin dots

באפיטקס גדלות קוונטיות (למשל, InAs / GaAs self-assembled QDs) בשימוש נרחב photodetecators המסחרי של אמצע- infrared (quantum dot photodetecators - QDIPs) במגרשים הקרובים- in the Near-infrared, הם מציעים זרם כהה בהשוואה ל-Firemedtec (QWIPs) בשל סיליקון פעיל עלות שלהם.

אורגני Semiconductors

(המוליכים למחצה) – חומרים פולימרים ומולקולות קטנות – פוטו-דמדומים קלים, גמישים, ועלולים להיות מודפסים רול-ל-הרץ, ניתן לכוון אותם על ידי עיצוב מולקולרי כדי לכסות את התצלומים הגלויים והקרובים (עד -1.0 μm כיום) בבולק הירוטיון (BJ) תערובת של תורמות ולקבל חומרים (למשל, p3F) לשימוש ב- 02D2D) עם רעש חיצוני (D2F) נמוך (D2F) כ-FLT2F) נמוך (D2D2F) ו-D2FLT2F) ו- 0.

למרות שפוטטקטים אורגניים (OPDs) כיום, הם חסרים מקבילים לא אורגניים במונחים של רוחב פס (בדרך כלל FLT:0 חומרים מתקדמים FLT:1).

שילוב היברידי וטרוגני מתקרב

שום חומר יחיד אינו יכול לספק בו זמנית את כל הדרישות עבור photodetector אידיאלי - מהירות גבוהה, רעש אולטרה סגול, כיסוי ספקטרלי רחב, עלות נמוכה וקלות של אינטגרציה.לכן, מכשירים היברידיים המשלבים את החוזקות של חומרים מרובים הם מגמה גדולה.

אינטגרציה של סיליקון

פוטוניקה של הסיליקון היא הפלטפורמה הדומיננטית של מעגלים אופטיים משולבים, אבל סיליקון עצמו הוא סופגן עני באורך גל תקשורת (1.3-1.55 μm) בשל חומרים עקפים שלה, כגון גרמניה (הגדלה מבחינה כימית), 3-V קוונטית dots, וחומרים 2D הם מחוברים או גדל על סיליקון-on-inulinsulinsulinulinulinulinulinulinulator (SOI) לספק סיליקון יעיל גרפים.

קבלנים גמישים ולבושיים

הביקוש למכשירים רפואיים בעלי יכולת ללבוש ולשתול דחק בפיתוח של תמונות גמישות.חומרים כמו מוליכים למחצה אורגניים, 2D TMD על תת-שכבות פולימידיים, וסרטים perovskite מעובדים מאפשרים photodetectors שיכולים להתאים משטחים מעוקלים. המקלטים גמישים אלה הם קריטיים עבור יישומים כגון צגים אופטיים, עדשות מגע חכמות, ואינטרנט של ביצועים מכניים חוזרים.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות מהירה, כמה מכשולים עומדים לפני אימוץ נרחב של חומרים מתעוררים אלה במקלטים אופטיים מסחריים.

  • (FLT:0)Stability and Reliability:FLT:1) חומרים חדשים רבים (perovskites, זרחן שחור, אורגנים) מידרדרים בתנאים נוחים.Achieving Telecom-class אמינות (25+ שנים בטמפרטורות גבוהות) הוא חיוני.
  • (FLT:0) ייצור יקר: 1FLT חומרים 2D דורשים גדול-area, שיטות צמיחה ללא פגם תואם קווי CMOS fab. Perovskite ו קוונטית dot התקנים צריכים עיבוד פתרון ניתן לשיפוץ עם סובלנות ביצועים הדוק.
  • (FLT:0) מהירות מבצע: 1FLT (בעוד כמה חומרים (למשל, גרפן) מפגינים רוחב פס פנימי גבוה מאוד, מכשירים מעשיים לעתים קרובות לאבד מהירות עקב קיבולים קצבים או עיכובים RC.
  • (FLT:0) Dark Present ו- Noise Reduction: ההרחבה 1 (Achieving Shot-noise-noise-noise-מוגבלת של ה-Digp) דורשת דיכוי זרם כהה לרמות תת-מדגם, במיוחד בחומרים צרים המשמשים לזיהוי אמצע ה-IR.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם אלקטרוניקה:FLT:1 Co-integrating photodetectors עם מעגלים מגבר (למשל, מגברי טרנססרנס בCMOS או BCMOS) נחוץ עבור מודולי מקלט מלאים.

במבט קדימה, ההוראות המבטיחות ביותר כוללות: (1) התפתחות נוספת של ואן דר וואלס הייטרו מבנים (למשל, גרפן / TMD או hBN / BP ערימהs) המשלבת את התכונות הטובות ביותר של כל אחד מהם; (2) הנדסה מתקדמת מלכודות ב dots הקוונטים ו perovskites כדי decouple רווחים ומהירות; (3) שילוב של photodetecs מתעורר עם תמונות סיליקון עם מעגלים חשמליים או באמצעות צינורות למידה אופטימליים;

מסקנה

האבולוציה של photodetectors ממוליכים למחצה אלמנטריים לחומרים ננו-מבנים מתוחכמת מעצבת מחדש את היכולות של מקלטים אופטיים. שני חומרים דו-ממדיים מביאים גיאומטריה אולטרה-אין וכיסוי פס רחב; perovskites מציעים ספיגה גבוהה עם ייצור נמוך; דואטים קוונטיים מספקים דיוק אורכי גל; ומוליכים למחצה אורגניים מאפשרים גורמי צורה גמישים.

פריסה מסחרית תקבע את האתגרים הכפולים של יציבות וייצור בר-קיימא.כפי שהמכשולים הללו ברורים, אנו יכולים לצפות לראות photodetectors המבוססים על חומרים מתעוררים אלה הופכים למרכיבים סטנדרטיים ב-Sea-אופטיים סיבים, קישורים אופטיים חופשיים בחלל, ועל חיבורים על שבב.העשור הבא מבטיח התקדמות טכנולוגית מקלט אופטית, המונעת על ידי הצבעים העשירים של חומרים הנמצאים כעת לרשותנו.