Maailman ohuin valoilmaisin

Basic Sciencen (IBS) tutkijat ovat kehittäneet maailman ohuimman valoilmaisimen. Sen paksuus on vain 1,3 nanometriä, mikä on kymmenen kertaa ohuempi kuin nykyiset piidiodit.

Löydetty kaksiulotteinen tekniikka perustuu molybdeenidisulfidiin (MoS2), joka on kerrostettu grafeenin väliin.

Grafeeni ei käyttäydy kuin puolijohde, joten sen soveltaminen elektroniikkateollisuudessa on rajallista. Sen käytettävyyttä lisätäkseen, IBS tutkijat kerrostivat kaksiulotteisen MoS2-puolijohteen kahden grafeenitason väliin ja laittoivat paketin piialustalle. He ajattelivat, että tuloksena olevan laite olisi liian ohut tuottamaan sähkövirtaa mutta yllättäen se tuotti sitä.

Rakenne, jossa on yksi kerros MoS2:ta, on liian ohut tuottamaan tavanomaisen pn-rajapintaliitoksen, jossa positiiviset ja negatiiviset varaukset erotetaan ja luovat sisäisen sähkökentän.

Yllätyksen ymmärtämiseksi tutkijat ryhtyivät vertailemaan rakenteita joissa on yksi tai seitsemän kerrosta MoS2:ta. He havaitsivat, että yksikerroksinen MoS2 absorboi vähemmän valoa kuin seitsemän kerroksen rakenne, mutta sillä on suurempi valovaste.

He totesivat, että valovirran generoitumista ei voitu selittää klassisella sähkömagnetismilla, mutta se voisi selittyä kvanttifysiikalla. Kun valo osuu rakenteeseen, jotkut MoS2-kerroksen elektroneista hyppäävät viritystilaan ja niiden virtaus laitteen läpi tuottaa sähkövirtaa. Kuitenkin jotta ylittää MoS2:n ja grafeenin välisen rajan, elektronien täytyy voittaa energiaeste kvantti tunneloinnin kautta.

Yksikerroksiset on ohuempia ja siksi herkempiä ympäristölle. Alempi SiO2-kerros lisää energiaestettä, kun taas ilma sen päällä vähentää sitä, täten elektroneilla yksikerroksisessa laitteessa on suurempi todennäköisyys tunneloitua MoS2-kerroksesta yllä olevaan grafeeniin (GrT).

Toinen ongelma paksummassa laitteessa on, että elektronit ja aukot liikkuvat liian hitaasti grafeenin ja MoS2:n välisten liitoskohtien läpi, mikä johtaa niiden ei-toivottuihin rekombinaatioihin jo MoS2-kerroksessa.

Näistä syistä, jopa 65% absorboituneista fotoneista ohuemmassa rakenteessa tuottavat virtaa. Sen sijaan kvanttihyötysuhde on seitsemän kerroksen MoS2-rakenteessa vain 7%.