La estrategia de manipular la dirección de la fotocorriente en nanocables PN de heterounión

La estrategia de manipular la dirección de la fotocorriente en nanocables PN de heterounión

El principio de funcionamiento del dispositivo. Fuente: Wang et al.

Las uniones de semiconductores Pn son los límites entre dos tipos de semiconductores (es decir, materiales semiconductores p de tipo n). Estos conectores son elementos clave de muchos dispositivos electrónicos modernos.

Hasta ahora, los dispositivos convencionales basados ​​en uniones pn solo permitían que la corriente fluyera en una dirección, que es una característica física asociada con todos los semiconductores. Sin embargo, esto limita en gran medida su potencial para desarrollar ciertos tipos de dispositivos, como sensores multicolores, herramientas de imágenes avanzadas y comunicación óptica.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China demostraron recientemente que la dirección en la que corriente fotoeléctrica Los flujos en los dispositivos de heterounión pn se pueden controlar utilizando diferentes longitudes de onda de luz. Su artículo, publicado en Electrónica de la naturaleza, eventualmente podría allanar el camino para el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos y electrónicos.

«Inspirados por nuestro descubrimiento temprano de diseños o diseños de dispositivos novedosos, como la adopción de una arquitectura de múltiples uniones o tándem, para extender la funcionalidad más allá de una única unión pn, queríamos renovar las uniones pn para una nueva funcionalidad», dijo Haiding Sun, uno de de los científicos que realizaron el estudio, dijo TechXplore. “La combinación del efecto fotoeléctrico y los semiconductores de unión pn se usa a menudo para construir fotodetectores semiconductores clásicos. Sin embargo, la capacidad de detección de estos sistemas generalmente se limita a un cierto rango espectral, ya que siempre generan flujos de fotocorriente en la misma dirección (es decir, fotorrespuesta unipolar) «.

El objetivo final del trabajo reciente de Sun y sus colegas fue desarrollar nuevos dispositivos de heterounión pn en los que la dirección de la fotocorriente se puede cambiar utilizando diferentes longitudes de onda de luz, lo que les permite crear fotodetectores nuevos y más avanzados. Más específicamente, el equipo quería obtener una llamada ‘fotorrespuesta bipolar’ en la heterounión pn para permitir la fotodetección de múltiples bandas o discriminante espectralmente.

«El ojo humano actúa como un fotosensor o fotodetector natural con alta sensibilidad a diferentes luces (o colores)», explicó Sun. “Sin embargo, con los detectores artificiales basados ​​en un solo material semiconductor, es difícil incluso distinguir entre dos longitudes de onda diferentes. En otras palabras, es difícil construir un fotodetector que tenga tanto características espectrales como sensibilidad de banda ancha; Las bandas espectrales sin sacrificar la sensibilidad / selectividad son particularmente difíciles en el rango ultravioleta, donde la mayoría de los materiales muestran una fuerte absorción ultravioleta ‘.

La estrategia de manipular la dirección de la fotocorriente en nanocables PN de heterounión

(a) Densidad de la fotocorriente bajo iluminación de 254 nm y 365 nm en nanocables con y sin decoración de platino, que muestra el cambio en la dirección de la fotocorriente bajo diferentes irradiaciones de luz. (b) imagen de microscopio electrónico de transmisión de nuestros nanocables con la heterounión pn. Fuente: Wang et al.

Cuando se exponen a luz con una longitud de onda igual o más corta que el ancho de banda óptico de los materiales a partir de los cuales están hechos, los fotodetectores basados ​​en uniones pn convencionales exhiben típicamente solo la llamada respuesta de fotocorriente unipolar; por lo tanto, las corrientes eléctricas inducidas por la luz solo pueden fluir en una dirección. Para superar esta limitación, Sun y sus colegas desarrollaron una nueva estrategia que permite una respuesta de fotocorriente bipolar, lo que permite a los ingenieros invertir la dirección de la fotocorriente en las uniones, p. Ej.

Utilizaron esta estrategia para crear una celda electroquímica para la detección de luz basada en heterouniones de nanocables p-AlGaN / n-GaN colocados sobre un sustrato de silicio conductor. Este dispositivo exhibió una respuesta fotográfica de polaridad inversa característica a diferentes longitudes de onda de iluminación.

«Nuestra celda electroquímica de nueva construcción para la detección de luz funciona en una combinación de procesos físicos (conversión fotoeléctrica y transporte de portadores en una única unión pn) y un proceso químico (reacción quimica de óxidoreduccioón en la superficie del nanoalambre), lo que permite una manera rápida y fácil de distinguir entre diferentes bandas espectrales simplemente verificando la polarización de la fotocorriente ”, dijo Sun. “Por lo tanto, ofrece un nuevo grado de libertad para manipular el transporte de portadores y, por lo tanto, el flujo de corriente en los dispositivos semiconductores. «

Sun y sus colegas pudieron observar el comportamiento bidireccional de la fotocorriente en su dispositivo cuando se exponen a la luz en dos longitudes de onda (es decir, 254 nm y 365 nm). Las dos longitudes de onda indujeron reacciones redox opuestas, la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER) y la reacción de desprendimiento de oxígeno (OER) en la interfaz nanocables / electrolito, induciendo una inversión de fotocorriente.

Los hallazgos podrían tener importantes implicaciones para el desarrollo de nuevas tecnologías optoelectrónicas. De hecho, Sun y sus colegas han demostrado que la corriente bidireccional se puede activar en la heterounión PN, lo que significa que estas interfaces se pueden utilizar para crear imágenes de luz conmutables, comunicación óptica y herramientas de discriminación de color sin filtro. Además, el dispositivo que han creado puede operar en el agua o en un ambiente acuático sin la necesidad de un empaquetado o integración complicados y, por lo tanto, puede ser ideal para crear sistemas que operen bajo el agua o dentro de sistemas biológicos.

“Nuestra arquitectura amplía la funcionalidad del semiconductor clásico dispositivo una estructura de usos múltiples ”, añadió Sun. «El siguiente paso en nuestra investigación sería implementar una celda electroquímica para detectar la luz en un entorno biocompuesto para biosensores o aplicaciones médicas».


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Más información:
Danhao Wang et al., Fotocorriente bidireccional en nanocables con heterounión p-n, Electrónica de la naturaleza (2021). DOI: 10.1038 / s41928-021-00640-7

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