Pesquisadores da Universidade de Jiaotong em Xian alcançaram a criação de um fototransistor baseado em semicondutor bidimensional que demonstra alta sensibilidade e resposta rápida sem a necessidade de aplicar tensão no gate. Este desenvolvimento foi apresentado na revista Advanced Optical Materials sob o título «Plasmon-Enhanced Photodetection in Ferroelectric-Tunable Two-Dimensional Phototransistor».
O trabalho, realizado pela Escola de Engenharia Elétrica e pelo Laboratório Nacional Chave de Isolamento Elétrico e Equipamentos de Potência da universidade, visa a detecção óptica de descargas parciais em equipamentos de potência. Durante a degradação do isolamento em disjuntores e disjuntores gasosos, podem ocorrer emissões de luz ultravioleta ou visível fracas em estágios iniciais.
A sondagem óptica permite evitar interferências eletromagnéticas e transmitir informações espectrais, mas os sinais recebidos são muito fracos. Embora materiais bidimensionais, como dissulfeto de tungstênio (WS2), interajam fortemente com a luz, dispositivos baseados neles enfrentaram problemas de baixa eficiência de conversão, compromisso entre amplificação e velocidade, bem como vazamentos e consumo de energia tipicamente associados à tensão de gate necessária para ajustar tais dispositivos.
A equipe superou essas limitações usando dois mecanismos. O canal de WS2 é colocado sobre um filme ferroelétrico ultrafino de óxido de háfnio dopado com alumínio, com cerca de 10 nanômetros de espessura, que atua como dielétrico de gate. Acima do canal, há um arranjo de nanopartículas de ouro, cujo tamanho foi determinado por modelagem para máxima amplificação do campo luminoso, e ele funciona como uma camada plasmônica.
Quando a luz excita a ressonância plasmônica, as nanopartículas concentram o campo local, levando à geração de mais portadores de carga fotoelétricos e à injeção de portadores quentes, aumentando a condutividade fotoelétrica. A polarização residual da camada ferroelétrica substitui a tensão externa no gate, ajustando a concentração de portadores e a barreira de contato em polarização nula, ao mesmo tempo que reduz a barreira na interface para acelerar o transporte de portadores.
Com tensão nula no gate, o dispositivo atingiu uma detectabilidade específica de $1.36 imes 10^{14}$ Jouans, que é um indicador da capacidade de capturar sinais luminosos fracos, bem como um tempo de resposta de 9,51 milissegundos. Como não é necessária tensão para manter o gate, este design também elimina os custos de energia constantes característicos dos dispositivos tradicionais com ajuste de gate.
A universidade observa que os resultados obtidos podem servir como base técnica para o desenvolvimento de módulos de sensores de baixa potência e matrizes de sensores de alta sensibilidade para detecção de descargas. No entanto, no momento, este é um único dispositivo de laboratório, e a transição para matrizes e sua integração com sistemas de monitoramento online exigirão a verificação da homogeneidade do material e da confiabilidade a longo prazo.
