El Centro de Física Integrada de Nanoestructura, dentro del Instituto de Ciencias Básicas IBS ha desarrollado el fotodetector más delgado del mundo, que es un dispositivo que convierte la luz en corriente eléctrica. Con un grosor de solo 1.3 nanómetros, 10 veces más pequeño quelos diodos de silicio estándar actuales: este dispositivo podría utilizarse en Internet de las cosas, dispositivos inteligentes, dispositivos electrónicos portátiles y fotoelectrónica. Esta tecnología 2D, publicada en Comunicaciones de la naturaleza , utiliza disulfuro de molibdeno MoS2 intercalado en grafeno.
El grafeno es un material fantástico: es conductor, delgado solo un átomo de grosor, transparente y flexible. Sin embargo, dado que no se comporta como un semiconductor, su aplicación en la industria electrónica es limitada. Por lo tanto, para aumentarUsabilidad del grafeno, los científicos del SII colocaron una capa del semiconductor 2D MoS2 entre dos láminas de grafeno y la colocaron sobre una base de silicio. Inicialmente pensaron que el dispositivo resultante era demasiado delgado para generar una corriente eléctrica pero, inesperadamente, lo hizo ". Un dispositivo conuna capa de MoS2 es demasiado delgada para generar una unión pn convencional, donde las cargas positivas p y negativas n están separadas y pueden crear un campo eléctrico interno. Sin embargo, cuando la iluminamos, observamos una alta fotocorriente¡Fue sorprendente! Dado que no puede ser una unión pn clásica, pensamos investigarlo más a fondo ", explica YU Woo Jong, primer autor de este estudio.
Para comprender lo que encontraron, los investigadores compararon dispositivos con una y siete capas de MoS2 y probaron qué tan bien se comportan como un fotodetector, es decir, cómo pueden convertir la luz en una corriente eléctrica. Descubrieron que el dispositivo conEl MoS2 de una capa absorbe menos luz que el dispositivo con siete capas, pero tiene una fotorrespuesta más alta ". Por lo general, la fotocorriente es proporcional a la fotoabsorbancia, es decir, si el dispositivo absorbe más luz, debería generar más electricidad, pero en este caso, incluso si el dispositivo MoS2 de una capa tiene una absorbancia más pequeña que el MoS2 de siete capas, produce siete veces más fotocorriente ", describe Yu.
La monocapa es más delgada y, por lo tanto, más sensible al entorno circundante: la capa inferior de SiO2 aumenta la barrera de energía, mientras que el aire en la parte superior la reduce, por lo que los electrones en el dispositivo de monocapa tienen una mayor probabilidad de hacer un túnel desde la capa MoS2 hacia elgrafeno superior GrT. La barrera de energía en la unión GrT / MoS2 es menor que la de GrB / MoS2, por lo que los electrones excitados se transfieren preferentemente a la capa GrT y crean una corriente eléctrica. Por el contrario, en el MoS2 multicapadispositivo, las barreras de energía entre GrT / MoS2 y GrB / MoS2 son simétricas, por lo tanto, los electrones tienen la misma probabilidad de ir a ambos lados y, por lo tanto, reducir la corriente generada.
Imagine un grupo de personas en un valle rodeado de dos montañas. El grupo quiere llegar al otro lado de las montañas, pero sin hacer demasiado esfuerzo. En un caso el dispositivo MoS2 de siete capas, ambas montañas tienenla misma altura, de modo que cualquier montaña que se cruce, el esfuerzo será el mismo. Por lo tanto, la mitad del grupo cruza una montaña y la otra mitad la segunda montaña.
En el segundo caso análogo al dispositivo MoS2 de una capa, una montaña es más alta que la otra, por lo que la mayoría del grupo decide cruzar la montaña más pequeña. Sin embargo, porque estamos considerando la física cuántica en lugar del electromagnetismo clásico, no necesitan escalar la montaña hasta llegar a la cima como tendrían que hacer con la física clásica, pero pueden pasar a través de un túnel. Aunque los túneles electrónicos y caminar por un túnel en una montaña son muy diferentes, por supuesto,La idea es que el flujo de electrones genera corriente eléctrica, y el dispositivo más delgado puede generar más corriente porque fluyen más electrones hacia la misma dirección.
En realidad, cuando el dispositivo absorbe la luz y los electrones MoS2 saltan a un estado excitado, dejan los llamados agujeros. Los agujeros se comportan como cargas móviles positivas y son esencialmente posiciones que los electrones absorben suficiente energía para saltar aun estado de energía más alto. Otro problema del dispositivo más grueso es que los electrones y los agujeros se mueven demasiado lentamente a través de las uniones entre el grafeno y el MoS2, lo que lleva a su recombinación no deseada dentro de la capa de MoS2.
Por estas razones, hasta el 65% de los fotones absorbidos por el dispositivo más delgado se utilizan para generar una corriente. En cambio, la misma medición eficiencia cuántica es solo del 7% para el aparato MoS2 de siete capas.
"Este dispositivo es transparente, flexible y requiere menos energía que los semiconductores de silicio 3D actuales. Si la investigación futura es exitosa, acelerará el desarrollo de dispositivos fotoeléctricos 2D", explica el profesor.
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Básicas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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