Исследователи из Сианьского университета Цзяотун достигли создания фототранзистора на основе двумерного полупроводника, который демонстрирует высокую чувствительность и быстрый отклик без необходимости подачи напряжения на затвор. Эта разработка была представлена в журнале Advanced Optical Materials под названием «Plasmon-Enhanced Photodetection in Ferroelectric-Tunable Two-Dimensional Phototransistor».
Работа, выполненная Школой электротехники и Государственной ключевой лабораторией электрической изоляции и силового оборудования университета, имеет целью оптическое обнаружение частичных разрядов в силовом оборудовании. При деградации изоляции в коммутационных аппаратах и газоизолированных коммутационных аппаратах на ранних стадиях могут возникать слабые ультрафиолетовые или видимые световые излучения.
Оптическое зондирование позволяет избежать электромагнитных помех и передавать спектральную информацию, однако получаемые сигналы очень слабы. Хотя двумерные материалы, такие как дисульфид вольфрама (WS2), сильно взаимодействуют со светом, устройства на их основе сталкивались с проблемами низкой эффективности преобразования, компромиссом между усилением и скоростью, а также утечками и энергопотреблением, которые обычно связаны с напряжением затвора, необходимым для настройки таких устройств.
Команда преодолела эти ограничения, используя два механизма. Канал из WS2 расположен на ультратонкой ферроэлектрической пленке оксида гафния, легированной алюминием, толщиной около 10 нанометров, которая выполняет функцию диэлектрика затвора. Над каналом размещен массив золотых наночастиц, размер которых был определен с помощью моделирования для максимального усиления светового поля, и он функционирует как плазмонный слой.
Когда свет возбуждает плазмонный резонанс, наночастицы концентрируют локальное поле, что приводит к генерации большего количества фотоносителей и впрыску горячих носителей, увеличивающих фотопроводность. Остаточная поляризация ферроэлектрического слоя заменяет внешнее напряжение на затворе, настраивая концентрацию носителей и барьер контакта при нулевом смещении, одновременно снижая барьер на границе раздела для ускорения переноса носителей.
При нулевом напряжении на затворе устройство достигло специфической детектируемости в 1.36 × 10¹⁴ Джоунс, что является показателем способности улавливать слабые световые сигналы, а также времени отклика в 9.51 миллисекунды. Поскольку для поддержания затвора не требуется напряжение, данная конструкция также исключает постоянные затраты энергии, характерные для традиционных устройств с настройкой затвора.
Университет отмечает, что полученные результаты могут послужить технической основой для разработки маломощных сенсорных блоков и высокочувствительных массивов датчиков для обнаружения разрядов. Тем не менее, на данный момент это одиночное лабораторное устройство, и переход к массивам и их интеграция с системами онлайн-мониторинга потребуют проверки однородности материала и долгосрочной надежности.