ACS Nano：高轉換效率的碳納米管基無障礙雙極二極管光電探測器

【引言】

光電探測器的轉換效率是其最具價值所在。基于碳納米管的光電探測器，其轉換效率主要由激子分解和朝向觸頭的自由載流子的傳輸而定。而聲子輔助的激子分離原理對于碳納米管P-N二極管也有一定效率，但轉換效率在通常較低，僅約1-5％。

【成果簡介】

近日，北京大學彭練矛教授（通訊作者）及其團隊研制了一種無障礙雙極二極管（BFBD），其結構是通過二極管兩端的N型歐姆接觸（Sc）和P型歐姆接觸（Pd）與半導體型納米管進行不規則接觸組合而成。他們發現，在短通道的BFBD設備轉換效率達到60％以上（如60nm），并且轉換效率隨通道長度的延長而迅速減小。他們還發現電場輔助機構能夠控制BFBD器件中激子分離速率，同時產生光電流。利用時間分辨和空間分辨的蒙特卡羅模擬，他們發現在N型（或P型）電極附近存在著一個富電子（或空穴）區，該區域的電場強度大于17 V/μm，激子分離速率也非常之快（<0.1 ps），綜合作用導致了BFBD設備超高的轉換效率。

【圖文導讀】

圖一 非對稱P型（Pd）和N型（Sc）觸點的無障礙雙極二極管的結構與性能

（a）無障礙雙極二極管的SEM偽色圖和示意圖

（b）不同通道長度的無障礙雙極二極管的伏安曲線

（c）光電流譜測量裝置示意圖

（d）不同通道長度的無障礙雙極二極管的光電流譜

圖二 實驗原始數據及轉換效率

（a）和（b）為同單壁碳納米管不同溝道長度的實驗和標準擬合曲線。離散符號表示實驗數據，實線是對這些數據的洛倫茲擬合

（c）和（d）為就分別于E11和E22光激發下不同的通道長度的BFBD轉換效率（E₁₁和E₂₂:第一和第二激子共振）

圖三 激子壽命以及BFBD中電荷轉移和電場的示意圖

（a）激子壽命 (KF^-1) 與電場的函數關系圖

（b）N型（Sc）和P型（Pd）觸點之間碳納米管通道上的電荷轉移示意圖

（c）接觸點附近的能帶彎曲。圖中表示從Pd（Sc）觸點到碳納米管通道的空穴（或電子）的轉移及在S_pd 和S_Sc內的衰退（在空穴和富電子區之間區域的電荷的量可忽略不計）

【小結】

本問主要論述了以單壁碳納米管為電子通道，非對稱的接觸于P型（Pd）和N型（Sc）觸點的無障礙雙極二極管的結構與性能，該碳納米管基無障礙雙極二極管光電探測器轉換效率能夠達到60%以上，大大提高了轉換效率，推動了光電探測器的開發與改進。

文獻鏈接?：High Conversion Efficiency Carbon Nanotube-Based Barrier-Free Bipolar-Diode Photodetector?? (ACS Nano, 2016 , DOI: 10.1021/acsnano.6b05047)

本文由材料人電子電工學術組franch7供稿，材料牛整理編輯。

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