Studie schetst een uitleesraamwerk voor fotodetectoren van 2D-materialen

Een team van onderzoekers, de meesten verbonden aan Sichuan University in Chengdu, China, heeft een raamwerk gepubliceerd dat fotodetectoren van tweedimensionale (2D) materialen moet helpen de stap te zetten van laboratoriumstudies met losse componenten naar toepassing in grotere systemen. Het open-access-artikel verscheen in Nature Communications. Het tijdschrift markeert het als een vroege publicatie van peer-reviewed, geaccepteerd onderzoek dat nog kan worden bewerkt voordat de definitieve Version of Record het vervangt.

Fotodetectoren zijn lichtgevoelige componenten die een elektrische stroom opwekken, de zogeheten fotostroom, wanneer er licht op valt. Volgens de auteurs was onderzoek naar detectoren van 2D-materialen vooral gericht op het gevoeliger maken ervan, terwijl een ander probleem ze tegenhoudt: door ladingsvallen (traps) bepaalde persistente fotogeleiding (PPC). Eenvoudig gezegd bepalen defecten in het materiaal hoe de stroom zich gedraagt, zodat de output afhangt van de recente voorgeschiedenis van de detector. De auteurs beschrijven drift, hysterese en vermoeiing die zich in de loop van de tijd opbouwen. Volgens hen ontstaat zo een mismatch tussen wat de component levert en wat het aangesloten systeem verwacht, wat de stap van component naar werkend systeem vertraagt.

In plaats van deze effecten alleen als onvolkomenheden te behandelen, herdefinieert het team ze als informatie over de toestand van de component, die kan worden gedefinieerd, gecorrigeerd en doorgegeven aan elektronica. Het raamwerk heet cross-layer omdat het meerdere niveaus tegelijk bestrijkt: de analyse van de defectmechanismen in het materiaal, de definitie van signalen die in de tijd veranderen (niet-stationaire signalen), de compensatie van dynamische vervorming en het ontwerp van de uitleesinterface die de detector met de rest van het systeem verbindt. De onderzoekers pasten het toe op detectoren van drie 2D-materialen: MoS2, WSe2 en PtSe2.

Volgens het abstract kon het team door de interface te herstructureren en de uitlezing te stabiliseren fotostromen op nW-niveau, die variëren met de toestand van de component, afbeelden op een mixed-signal-uitleesinterface: de schakeling die de kleine stromen van de detector omzet in systeemoutput. De groep breidde de methode vervolgens uit naar arrays van detectoren die één gemeenschappelijke output delen en naar het fuseren van signalen van meerdere sensoren. Een frequentiegestuurde manier om de data weer te geven werd geëvalueerd in een machine-vision-taak; het abstract geeft geen prestatiecijfers voor die test.

De auteurs concluderen dat de door PPC gestuurde respons, die afhangt van wat de component eerder heeft ervaren, moet worden gelezen als “een in de toestand gecodeerd signaal” dat defectgedrag, uitlezing en systeemtaken met elkaar verbindt, en niet slechts als een gebrek van de afzonderlijke component. Zij beschrijven het werk als een technische route van studies op componentniveau naar toepassingen op systeemniveau; het abstract gaat niet in op producten of tijdlijnen. De financiering kwam van de National Natural Science Foundation of China, het National Key Research and Development Program of China en de Sichuan Science and Technology Foundation, en de auteurs verklaren geen concurrerende belangen te hebben.