Une stratégie pour manipuler la direction du photocourant dans les nanofils à hétérojonction pn

Une stratégie pour manipuler la direction du photocourant dans les nanofils à hétérojonction pn

Le principe de fonctionnement de l’appareil. Crédit : Wang et al.

Les jonctions pn des semi-conducteurs sont des frontières entre deux types de semi-conducteurs (c’est-à-dire les matériaux semi-conducteurs de type p et de type n). Ces jonctions sont des composants cruciaux de nombreux appareils électroniques modernes.

Jusqu’à présent, les dispositifs à jonction pn typiques n’ont permis au courant de circuler que dans une seule direction, une caractéristique physique associée à tous les semi-conducteurs. Cependant, cela limite considérablement leur potentiel de développement de certains types d’appareils, tels que la détection multicolore, l’imagerie avancée et les outils de communication optique.

Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine ont récemment démontré que la direction dans laquelle le photocourant circule dans les dispositifs à hétérojonction pn peut être contrôlée à l’aide de différentes longueurs d’onde de lumière. Leur article, publié en Nature Électronique, pourrait à terme ouvrir la voie au développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques et électroniques.

« Inspirés par la découverte précédente de nouvelles structures ou conceptions de dispositifs, par exemple, l’adoption d’une architecture à jonctions multiples ou en tandem, pour étendre les fonctionnalités au-delà d’une seule jonction pn, nous visions à rénover les jonctions pn pour de nouvelles fonctionnalités », Haiding Sun, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, a déclaré à TechXplore. « Une combinaison de l’effet photoélectrique et des semi-conducteurs à jonction pn a souvent été utilisée pour construire des photodétecteurs à semi-conducteurs classiques. Cependant, la capacité de détection de ces systèmes est fondamentalement limitée à une certaine plage de spectre, car ils génèrent toujours des flux de photocourant dans la même direction ( c’est-à-dire une photoréponse unipolaire). »

L’objectif final du récent article de Sun et de ses collègues était de développer de nouveaux dispositifs à hétérojonction pn dans lesquels la direction du photocourant peut être commutée en utilisant différentes longueurs d’onde de la lumière, car cela leur permettrait de créer de nouveaux photodétecteurs plus avancés. Plus précisément, l’équipe souhaitait obtenir une photoréponse à double polarité dans les hétérojonctions pn pour permettre une photodétection multibande ou spectralement distinctive.

« L’œil humain agit comme un photocapteur naturel ou un photodétecteur avec une sensibilité élevée à différentes lumières (ou couleurs) », a expliqué Sun. « Cependant, pour les détecteurs artificiels à base de matériau semi-conducteur, il est difficile de faire la distinction même entre deux longueurs d’onde différentes. En d’autres termes, il est difficile de construire un photodétecteur qui possède à la fois des caractéristiques spectrales distinctives et réactives à large bande ; distinguer bandes spectrales sans sacrifier la sensibilité/sélectivité est particulièrement difficile dans la bande ultraviolette, où la plupart des matériaux présentent une forte absorption ultraviolette. »

Une stratégie pour manipuler la direction du photocourant dans les nanofils à hétérojonction pn

(a) la densité de photocourant sous un éclairage lumineux de 254 nm et 365 nm sur le nanofil avec et sans décoration en platine, montrant le changement de direction du photocourant sous différentes irradiations lumineuses. (b) l’image au microscope électronique à transmission de nos nanofils à hétérojonction pn. Crédit : Wang et al.

Lorsqu’ils sont exposés à une lumière de longueur d’onde égale ou inférieure aux bandes interdites optiques des matériaux qui les composent, les photodétecteurs basés sur des jonctions pn classiques ne présentent typiquement qu’une réponse photocourante dite unipolaire ; cela ne permet aux courants électriques induits par la lumière de circuler que dans une seule direction. Pour surmonter cette limitation, Sun et ses collègues ont conçu une nouvelle stratégie qui permet une réponse photocourante à double polarité, permettant aux ingénieurs de changer la direction du photocourant dans les jonctions np.

Ils ont utilisé cette stratégie pour créer une cellule électrochimique de détection de lumière basée sur des hétérojonctions de nanofils p-AlGaN/n-GaN placées sur un substrat de silicium conducteur. Ce dispositif présentait une photoréponse distinctive, avec une polarité inversée sous différentes longueurs d’onde d’éclairage.

« Notre cellule électrochimique de détection de lumière nouvellement construite fonctionne selon une combinaison de processus physiques (conversion photoélectrique et transport de porteurs dans une jonction pn unique) et de processus chimiques (réaction redox sur la surface des nanofils), permettant de distinguer rapidement et facilement différentes bandes spectrales en en vérifiant simplement la polarité du photocourant », a déclaré Sun. « Il offre ainsi un nouveau degré de liberté pour manipuler le transport des porteurs et donc le flux de courant dans les dispositifs à semi-conducteurs. »

Sun et ses collègues ont pu observer le comportement du photocourant bidirectionnel dans leur appareil après qu’il ait été exposé à la lumière avec deux longueurs d’onde (c’est-à-dire 254 nm et 365 nm). Les deux longueurs d’onde ont déclenché des réactions d’oxydoréduction opposées, la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) et la réaction de dégagement d’oxygène (OER) sur l’interface nanofil/électrolyte, induisant une inversion de polarité du photocourant.

Les résultats pourraient avoir des implications importantes pour le développement de nouvelles technologies optoélectroniques. En fait, Sun et ses collègues ont montré que le courant bidirectionnel peut être activé dans les hétérojonctions pn, ce qui signifie que ces interfaces pourraient être utilisées pour créer des outils d’imagerie lumineuse commutable, de communication optique et de discrimination des couleurs sans filtre. De plus, le dispositif qu’ils ont créé peut fonctionner dans l’eau ou dans des environnements aqueux sans nécessiter d’emballage ou d’intégrations sophistiqués, et pourrait donc être idéal pour la création de systèmes fonctionnant sous l’eau ou à l’intérieur de systèmes biologiques.

« Notre architecture étend les fonctionnalités de la structure classique des dispositifs semi-conducteurs pour les applications multifonctionnelles », a ajouté Sun. « La prochaine étape de nos recherches serait la mise en œuvre de la cellule électrochimique de détection de la lumière dans l’environnement bio-connexe pour des applications de biocapteur ou médicales. »


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Plus d’information:
Danhao Wang et al, Photocourant bidirectionnel dans les nanofils à hétérojonction p–n, Nature Électronique (2021). DOI : 10.1038 / s41928-021-00640-7

© 2021 Réseau Science X

Citation: Une stratégie pour manipuler la direction du photocourant dans les nanofils à hétérojonction pn (2021, 12 octobre) récupéré le 12 octobre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-10-strategy-photocurrent-pn-heterojunction-nanowires.html

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