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ACS Nano:高转换效率的碳纳米管基无障碍双极二极管光电探测器

材料人2018-05-15 15:19:20
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【引言】


光电探测器的转换效率是其最具价值所在。基于碳纳米管的光电探测器,其转换效率主要由激子分解和朝向触头的自由载流子的传输而定。而声子辅助的激子分离原理对于碳纳米管P-N二极管也有一定效率,但转换效率在通常较低,仅约1-5%。


【成果简介】


近日,北京大学彭练矛教授(通讯作者)及其团队研制了一种无障碍双极二极管(BFBD),其结构是通过二极管两端的N型欧姆接触(Sc)和P型欧姆接触(Pd)与半导体型纳米管进行不规则接触组合而成。他们发现,在短通道的BFBD设备转换效率达到60%以上(如60nm),并且转换效率随通道长度的延长而迅速减小。他们还发现电场辅助机构能够控制BFBD器件中激子分离速率,同时产生光电流。利用时间分辨和空间分辨的蒙特卡罗模拟,他们发现在N型(或P型)电极附近存在着一个富电子(或空穴)区,该区域的电场强度大于17 V/μm,激子分离速率也非常之快(<0.1 ps),综合作用导致了BFBD设备超高的转换效率。


【图文导读】


图一 非对称P型(Pd)和N型(Sc)触点的无障碍双极二极管的结构与性能



(a)无障碍双极二极管的SEM伪色图和示意图

(b)不同通道长度的无障碍双极二极管的伏安曲线

(c)光电流谱测量装置示意图

(d)不同通道长度的无障碍双极二极管的光电流谱


图二 实验原始数据及转换效率



(a)和(b)为同单壁碳纳米管不同沟道长度的实验和标准拟合曲线。离散符号表示实验数据,实线是对这些数据的洛伦兹拟合

(c)和(d)为就分别于E11和E22光激发下不同的通道长度的BFBD转换效率(E11和E22:第一和第二激子共振)


图三 激子寿命以及BFBD中电荷转移和电场的示意图



(a)激子寿命 (KF-1) 与电场的函数关系图

(b)N型(Sc)和P型(Pd)触点之间碳纳米管通道上的电荷转移示意图

(c)接触点附近的能带弯曲。图中表示从Pd(Sc)触点到碳纳米管通道的空穴(或电子)的转移及在Spd 和SSc内的衰退(在空穴和富电子区之间区域的电荷的量可忽略不计)


【小结】


本问主要论述了以单壁碳纳米管为电子通道,非对称的接触于P型(Pd)和N型(Sc)触点的无障碍双极二极管的结构与性能,该碳纳米管基无障碍双极二极管光电探测器转换效率能够达到60%以上,大大提高了转换效率,推动了光电探测器的开发与改进。


文献链接 :High Conversion Efficiency Carbon Nanotube-Based Barrier-Free Bipolar-Diode Photodetector   (ACS Nano, 2016 , DOI: 10.1021/acsnano.6b05047)(见下方“阅读原文”)


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