Sonraki Nesil Fotoğraflara Giriş

Fotodetectors, optik ve elektronik domainler arasındaki kritik arayüz olarak iletişim sistemleri, alt akım elektroniklerinin işlem yapabileceği elektrik sinyallerine ışık çevirerek hizmet eder. Modern optik alıcılarda, fotodetektörün performansı doğrudan erişilebilir veri oranını, hassaslığı ve dinamik aralıkları tüm bağlantının ötesine göre belirlenir. Geleneksel silikon fotodiodes, olgun ve düşük maliyetli, taşıyıcı zamanından dolayı bant genişliğine göre hassastır.In modern optik alıcılara göre, silikon band kenarına yakın hassasiyet gösterir.

Fiber optik ağlarda doğa ile ilgili sürekli olarak incelenen veriler için sürekli talep ( bulut bilişim, 5G/6G ve yüksek çözünürlüklü video akışı) araştırmacılara bu kısıtlamaların üstesinden gelebilecek yeni materyal platformlarını keşfetmelerini sağladı. Gelişen malzemeler - atomik olarak ince iki boyutlu kristalleri bir şekilde çözümle işlemeye yönelik olarak yapılandırın - gelecekteki alıcılar ve tasarımcılar için daha genişleyen materyalleri genişletmeyi ve geliştirmelerini sağlamak için, otomatik olarak tekrarlamalarını sağlamak için.

Optik Alıcı Fotodetectors için Anahtar Performans Ölçümleri

Özel malzemeleri incelemeden önce, optik alıcılar için malzeme seçimi yapan performans ölçümleri anlamak önemlidir. Aşağıdaki parametreler genellikle optimize edilir:

  • [FONT:0)Responsivity (R): ), foto akımın optik güç (A/W) yüksek sorumluluğun alıcıda gerekli optik gücü azaltır.
  • [FONT=0)Band genişlik (f[D][/FONT=0)[0)[0))[0|Band genişlik (f[D)[D=D=D=0)))))[D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D=0|D)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))
  • [FONT:0) Dark akımı (I[DÜDÜT:2)[[Dönem:2)[[Dönetici: 3 ) Güneş ışığının yokluğunda akan mevcut, düşük ışık koşullarında yüksek hassasiyet için kritiktir.
  • [FONT:0) eşdeğer bir güç (NEP): ), karek bant genişliği başına minimum tespit edilebilir optik güç. Lower NEP daha zayıf sinyal algılamasını sağlar.
  • [FONTD:0]Spectral aralığı:[Döneticiler, karmaşıklıkta yararlı sorumluluğu koruyan dalga boyu aralığın üzerinde dalga geçiyor.
  • [FONT:0)Response süresi:[Dönetici:[Dönemli artış/göçücük büyüme süresi) fotoğrafın sürekli olarak sabitlenme süresi.En büyük sembolü belirler.

Gelişen malzemeler genellikle bu ölçümlerin bir veya daha fazlasında, mekanik esneklik veya silikon fotonik platformlarla uyumluluk gibi ek faydalar sağlar.

İki-Dimensional Materials

Graphene Photodetectors

Graphene, bir hexagonal lattice'de düzenlenen tek bir atomik karbon atom tabakası, olağanüstü elektronik ve optik özellikleri nedeniyle fotodeteksiyon için muazzam ilgi çekti. yüksek taşıyıcı hareketliliği (ex GHz'in ötesinde 10))[Dönderilmiş bir gruptan, ultra hızlı fotoğraf makinesiyle, 500 GHz'ye kadar ışık gösterdi.

Ancak, grafikene'nin zayıf ışık absorpsiyonu (~2.3% monokat başına) responsivite için temel bir sınırlama oluşturur. Fotodetectors genellikle düşük ses ve fotoreksiyonlar (örneğin mA/W) zoptik antenler tarafından geliştirilmediğinde, resonant cavities veya absorptive katmanları ile entegrasyon. fototörüntüler dahil olmak üzere fotoreksiyonlar araştırılmıştır.

Son gelişmeler hibrit grafiklere odaklanır –quantum Dot (GQD) fotodetektörler, kolloidal kuantum dozlarının yüksek çözünürlükte olduğu durumlarda, yüksek çözünürlükte bulunan bir yük kanalı olarak kullanılabilir. GQD cihazları 10 )

Transition Metal Dichalcogenides (TMDs)

MÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN

TMD fotodetectors birkaç avantaj sunuyor: örneğin, esnek polimerler de dahil olmak üzere, düşük karanlık akımlar (~pA) düşük ve eş zamanlı heteroklik ile uyumlular - araştırmacılar ultra hızlı bir şekilde transfer ve genişban fotoğraf makinesi fark ettiler.

Zorluklar, kontrol edilen kusur durumlarıyla büyük ölçüde tek kullanımlık filmlere ulaşmayı sürdürüyorlar. Kimyasal buhar ayrıştırma (CVD) yöntemleri ilerlemeye devam ediyor ancak taşıyıcı hareketliliği açısından hala aşağı yukarı yaştaki flakesler görüyor.Mevcut çalışma[Dönemli boron nitride (hBN) ve kapı mühendisliği performansı zorlamaya devam ediyor.

Black Phosphorus (BP) ve Diğer Elemental 2D Malzemeler

Siyah phosphorus boşlukları boşluksız grafiklerle geniş bantlı TMD'ler arasında köprüler açıyor (~10[Dönetici:03) ve hızlı yanıt süreleri (~ns) optik iletişim için önemli ölçüde gelişmiş malzemelerle birlikte ortaya çıkan hızlı bir şekilde, BP fotodetektörleri de yüksek çözünürlükte (~ 10[D) ile işleyicileri gösterir.

Perovskite Malzemeler

Metal Halide Perovskites

Metal halide perovskites, genel formül ABX) 3[Döneticileri: A = tilammonium, formamidinium, cesium; B = lead, tin; X = halide), artık fotodektörler için ciddi bir şekilde araştırılıyor.

Perovskite fotodetectors, spin-coating, bıçak-kjet baskısı, düşük maliyetli üretime giden bir yol sunabilir.Rekadetler 10) A/W, fotokodunktör-çaplama etkileri nedeniyle fotokodlamalı cihazlarda bildirilen fotokodlamalar yüksek bantlar (>10 MHz) ve düşük karanlık akımlar için yüksek bantlar sunar.

Stability birincil endişe kalır: perovskites degrad altında ne kadar, oksijen, ısı ve sürekli ışık maruziyeti. Encapsulation and kompozisyonal Engineering (e.g., using 2D/3D hybrid structures or all-inorganik cesium lead halides) operasyonel yaşamlar geliştirdi. Başka bir meydan okuma liderlik ediyor, hangi araştırmalar tin-based pertes (şu anda daha düşük bir istikrara sahip olsa da).

Lead-Free Perovskite Variants

toksisite endişelerini ele almak için, araştırmacılar Cs [DFLT:0)2)AgBiBr)[Döneticileri) ve biyosmuth tabanlı halide perovskite gibi alternatifler keşfediyorlar. Bu malzemeler daha iyi çevresel uyumlulukla makul bir fotoğraf çekimi sunar, biraz daha düşük absorpsiyon ve hareketlilik ile birlikte, gelecekteki ticari optik alıcılardaki rolüne bağlı olarak.

Kuantum Dots

Colloidal Kuantum Dots

Colloidal kuantum noktaları (CQD) yarı iletken nanokristaller genellikle 2-10 nm büyüklüğüne sahiptir, kuantum sınırlılık bandın partikül çapında sürekli olarak ayarlanmasına olanak sağlar. PbS, PbSe, HgTe ve CdSe CQDs, yüksek orandaki yüksek absürtme sayesinde özellikle de ilgilidir.

Kuantum fotodetektörler birkaç çekici özellik sunar: çözüm işleme kabiliyeti neredeyse her substratta düşük maliyetli bir düşüş ( silikon, cam ve esnek plastik dahil), emme spektrumu WDM sistemlerindeki belirli lazer kanallarıyla tam olarak uygun şekilde optimize edilebilir; ve büyük yüzeysel oranlar fotokodüktif kazanç sağlar (external kuantum effici maliyetlerle% >% 100). Ligand mühendisliği, geçiş yüzey tuzakları ve nakliyesi için çok önemli bir rol oynar.

Cihaz mimarisinde, en yaygın konfigürasyonlar fotodiodes (p-n veya Schottky) ve fotokodüktörler arasında son gelişmeler, CQD tabanlı fotodetektörlerin 1 MHz'i aştığını ve tespit etme >10|bent # 1 ) ile birlikte, Jones'u, kazanç ve hız arasındaki ticaret-dönüşümlülükler arasındaki sınır dışı bırakmanın bir yolu olduğunu göstermektedir.

Epit aksiktik Dots

Epit aksi halde kuantum dozları (örneğin, InAs/GaAs'in kendini monte eden QDs) orta büyüklükteki (quantum fototoksit) ile entegrasyonları nedeniyle, Si substratlar üzerinde yapılan entegrasyonlar aktif bir araştırma alanıdır.

Organik yarı iletkenler

Organik yarı iletkenler - şu anda küçük polimerler ve küçük moleküller - hafif, esnek ve potansiyel olarak yuvarlanmış malzemeler (örneğin, P3HT:PCBM) görünür ve yakın ölçekler ile fotodiyotlar ile uyumlu olarak kullanılabilir (örneğin, 10 °C)

Organik fotodetectors (OPDs) bugün bant genişliği açısından organik olmayan meslektaşların kısası (tipik olarak da) kullanılmaktadır.

Hibrit ve Heterojen Bütünleştirme Yaklaşımları

Tek bir malzeme aynı anda ideal bir fotodetektör için tüm gereksinimleri karşılayabilir - yüksek hız, ultralow gürültü, geniş ⁇ kapsamı, düşük maliyet ve entegrasyon kolaylığı. Böylece, birden fazla malzemenin güçlü yönlerini birleştiren hibrit cihazlar büyük bir trenddir.

Silikon Fotonikleri Bütünleşme

Silikon fotonikleri entegre optik devreler için baskın platformdur, ancak silikonun kendisi telekomünikasyon dalgalarında (1.3-1.55 μm) dolaylı bandgap için etkili bir şekilde entegre edilmiştir.Örneğin, grafikene, silikon dalga kılavuzları ile entegre edilmiştir, III-V kuantum dots, ve 2D materyaller yüksek hızlarda silikon destekli veya büyütülebilir.

Esnek ve giyilebilir Optik Alıcılar

Kristalize edilebilir ve implant edilebilir tıbbi cihazlar için talep, esnek fotodetektörlerin geliştirilmesini teşvik etti. Organik yarı iletkenler, 2D TMD'ler gibi malzemeler poliimide substratlar ve çözüm işlemeli perovskite filmlerin tekrarlanan yüzeylere uygun olması nedeniyle önemli.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Hızlı ilerlemeye rağmen, bu ortaya çıkan malzemelerin ticari optik alıcılardaki yaygın olarak benimsenmesinden önce birkaç engel öne çıkıyor.

  • [FONT=0]Stability and Reliability:[Dönetici: [Dönetici: 0,8|Dönetici, siyah fosfor, organik) Ortam koşullarından aşağı yukarı doğrulanabilir.
  • [[D)Scalable Manufacturing: [DD malzemeler, CMOS fab hatlarıyla uyumlu büyük, hatasız büyüme yöntemleri gerektirir. Perovskite ve kuantum cihazların sıkı performans toleransı ile yenidenrodnasyona ihtiyacı vardır.
  • [FONT:0) Yüksek Hız Operasyonu:[Dönetici:[Dönetici:0) Bazı malzemeler (örneğin, grafikte) son derece yüksek intrinsic bant genişliği, pratik cihazlar genellikle parasitik kapasitans veya RC gecikmeleri nedeniyle hız kaybeder. Optimizing elektrode düzeni ve cihaz geometrisi devam eder.
  • [FONT:0)Dark Current ve Gürültü Azımı: Achieving atış-noise-kanık performans, özellikle orta-picoamp seviyelerini bastırmak için kullanılan dar-grupgap malzemeleriyle baskı yapmak gerekir.
  • [FONT:0) Elektronik ile ilgili olarak: Co-integrating fotodetectors with yükseltici devreler (örneğin, CMOS veya BiCMOS) tam alıcı modüller için transimpedans yükselteçleri gereklidir.

İleriye bakıldığında, en umut verici yönler şunları içerir: (1) Van der Waals heteroyapılarının daha iyi gelişimi (örneğin, transfer baskı veya mikro-dönüşüm teknikleri kullanarak modeller ve (4) makine öğrenimi - en iyi malzemeleri keşiflerini kuantum dots ve perovskites'in iyi özelliklerini bir şekilde birleştirerek, gelişmekte olan fotodetectorların entegrasyonu; transfer baskı veya mikro-dönüşüm tekniklerini kullanarak transfer baskı veya mikro-dönüşüm tekniklerini kullanarak; ve (4) makine öğrenimi-en iyi kompozisyonlar ve cihaz yapıları tahmin etmek için.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Fotodetectors'in elemental yarı iletkenlerden evrim, karmaşık nanoyapılı malzemeler optik alıcıların yeteneklerini yeniden şekillendiriyor. İki boyutlu malzemeler ultrathin geometrisini ve geniş bant kapsamasını sağlar; perovskites düşük maliyetli bir şekilde yüksek absorpsiyon sunar; kuantum dotlar dalga boyun eğiririr; ve organik yarı iletkenler her türlü malzeme belirli performans hedeflerine hitap eder ve sürekli maturasyonları gelecekteki iletişim ağları için kritik olacaktır.

Ticari dağıtım, stabilite ve ölçeklenebilir üretimin iki zorluklarını çözmeye bağlı olacaktır.Bu engeller temizlendikçe, şu anda bu gelişmekte olan malzemelerin zengin paletleri tarafından yönlendirilen malzemelerden yararlanarak, fiber-optik transceivers, ücretsiz-uzay bağlantıları ve sonraki on yıl boyunca dönüştürücü gelişmelerden sonra, elektrikli alıcı teknolojisindeki gelişmelerden sonra, şimdi bizim tasarruflarımıza dayanan malzemelerden faydalanarak fotoğraf makineleri görmeyi bekleyebiliriz.