Điốt quang là thiết bị được sử dụng rộng rãi dựa trên vật liệu bán dẫn có thể chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện. Các thiết bị này là thành phần trung tâm của nhiều công nghệ hiện đại, bao gồm quang điện (PV) và một số hệ thống cảm biến, hình ảnh, đo lường và truyền thông.
Khái niệm về CBIC. a, So sánh kiến trúc tiếp xúc truyền thống và kiến trúc tiếp xúc được đề xuất: (i) tiếp xúc kim loại-bán dẫn (MS); (ii) tiếp xúc MIS và (iii) CBIC. Quá trình chiết xuất hạt mang điện hiệu quả có thể diễn ra thông qua các đường dẫn điện trong CBIC, một tính năng không có trong các tiếp xúc MIS thông thường. b, Sơ đồ quy trình chế tạo CBIC thông qua lắng đọng phun tuần tự. c, Sơ đồ (trên) và hình ảnh quang học (dưới) của một thiết bị hoàn chỉnh, trong đó chất hấp thụ WS2 được kẹp giữa các điện cực CBIC–Al và Cl–SnSe2. d,e, Sơ đồ phép đo CAFM trên CBIC–Al có Au (d) và không có Au (e). f,g, Bản đồ dòng điện CAFM tương ứng (trên) và hồ sơ đường dòng điện (dưới) của d (f) và e (g). Đường dẫn điện được biểu thị bằng các mũi tên màu trắng. Dữ liệu hồ sơ đường dòng điện được lấy dọc theo các đường màu đỏ đứt nét. Các đường dẫn điện được biểu thị bằng các mũi tên màu đỏ. h, Ảnh STEM cắt ngang của tiếp xúc giữa WS2 và CBIC–Al. Lưu ý rằng các điểm sáng gần lớp WS2 dưới cùng có thể là các hạt xen kẽ còn sót lại sau khi nghiền chùm ion hội tụ. i, Ảnh STEM phóng to của khu vực được chọn trong h, cho thấy rõ sự phân bố đồng đều của các nanocluster Au bên trong lớp xen kẽ AlOx. Tín dụng: Jang et al. ( Nature Electronics , 2025).
Trong những năm gần đây, các kỹ sư đã cố gắng đưa ra các chiến lược thiết kế mới có thể cải thiện hơn nữa hiệu suất của điốt quang và hiệu quả chuyển đổi ánh sáng thành điện của chúng. Một phương pháp được đề xuất bao gồm việc chế tạo chúng bằng chất bán dẫn hai chiều (2D), chỉ mỏng vài lớp nguyên tử và thể hiện các đặc tính có lợi.
Mặc dù có tiềm năng, nhiều điốt quang dựa trên chất bán dẫn 2D được chế tạo cho đến nay vẫn chưa hoạt động tốt như mong đợi. Điều này phần lớn là do hiện tượng được gọi là ghim mức Fermi, bao gồm sự cố định mức năng lượng tại giao diện giữa kim loại và chất bán dẫn.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST), Đại học Hàn Quốc, Đại học Yonsei và các viện khác tại Hàn Quốc đã thiết kế và chế tạo các tiếp điểm liên lớp cầu dẫn mới có thể giúp tăng cường khả năng vận chuyển điện tích của điốt quang 2D. Bài báo của họ, được công bố trên tạp chí Nature Electronics, có thể mở ra những khả năng mới cho sự tiến bộ trong tương lai của các thiết bị quang điện tử.
"Các điốt quang dựa trên chất bán dẫn hai chiều có tiềm năng sử dụng trong quá trình phát triển các thiết bị quang điện tử, nhưng hiệu suất PV của chúng bị hạn chế bởi sự ghim chặt mức Fermi tại các tiếp điểm kim loại-bán dẫn", Jisu Jang, Jung Pyo Hong và các đồng nghiệp đã viết trong bài báo của họ. "Các tiếp điểm kim loại-lớp xen kẽ-bán dẫn thông thường có thể giải quyết vấn đề này, nhưng cũng có thể dẫn đến tăng điện trở nối tiếp. Chúng tôi báo cáo một tiếp điểm lớp xen kẽ cầu dẫn điện cung cấp cả sự ghim chặt mức Fermi và điện trở thấp".
Lớp tiếp xúc giữa các cầu dẫn điện do Jang, Hong và các đồng nghiệp của họ phát triển về cơ bản là một lớp cách điện mỏng tách kim loại bên trong một điốt quang khỏi chất bán dẫn 2D. Lớp giữa mỏng này được làm bằng vật liệu oxit có các cụm nano vàng (tức là các hạt dẫn điện nhỏ) được nhúng trong đó.
"Chúng tôi tạo ra một lớp xen kẽ oxit tách kim loại và chất bán dẫn, trong khi các cụm nano vàng nhúng trong lớp xen kẽ hoạt động như các đường dẫn điện tạo điều kiện cho việc vận chuyển điện tích hiệu quả", Jang, Hong và các đồng nghiệp của họ viết. "Sử dụng các tiếp điểm này, chúng tôi chế tạo một điốt quang vonfram disulfide (WS2) có độ nhạy sáng là 0,29 A W−1, dải động tuyến tính là 122 dB và hiệu suất chuyển đổi công suất là 9,9%".
Hình ảnh 3D đầy đủ màu sắc sử dụng cảm biến hình ảnh tích hợp CBIC. Tín dụng: Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01339-9
Là một phần của nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã tích hợp các tiếp điểm lớp xen kẽ cầu dẫn mà họ phát triển trong một điốt quang dựa trên WS2. Họ phát hiện ra rằng lớp xen kẽ này làm giảm hiệu quả các tương tác điện tử không mong muốn, chẳng hạn như ghim mức Fermi, do đó cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng của điốt quang.
"Cách tiếp cận của chúng tôi cũng cung cấp một nền tảng để thăm dò động lực học của chất mang quang, và chúng tôi thấy rằng sự kết hợp tiếp xúc ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất PV", Jang, Hong và các đồng nghiệp của họ viết. "Ngoài ra, chúng tôi minh họa tiềm năng sử dụng các điốt quang với các tiếp xúc lớp xen kẽ cầu dẫn điện này như các máy ảnh hai và ba chiều đầy đủ màu sắc".
Trong tương lai, các lớp tiếp xúc cầu dẫn điện mới do nhóm nghiên cứu này phát triển có thể được tích hợp và thử nghiệm trên các thiết bị quang điện tử dựa trên chất bán dẫn 2D khác. Cuối cùng, chúng có thể góp phần vào sự tiến bộ của nhiều công nghệ, bao gồm hệ thống truyền thông, hình ảnh và cảm biến.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
