Serapan Foton yang Ditingkatkan dalam Fotodetektor Inframerah Titik Kuantum melalui Plasmon Permukaan Array Nanolub Logam
Abstrak
Seiring meningkatnya permintaan akan perangkat fotodetektor skala kecil, fotodetektor inframerah berbasis titik kuantum telah menarik perhatian yang semakin besar selama beberapa dekade terakhir. Dalam pekerjaan ini, struktur array nanolub logam periodik diperkenalkan ke dalam fotodetektor inframerah titik kuantum untuk meningkatkan kinerja serapan foton melalui efek peningkatan plasmon permukaan guna mengatasi hambatan efisiensi serapan optik rendah yang ada dalam fotodetektor konvensional. Hasil menunjukkan bahwa struktur array nanolub logam yang dioptimasi dapat secara besar-besaran meningkatkan serapan foton hingga 86,47% dalam fotodetektor spesifik, yang merupakan 1,89 kali lipat dari fotodetektor konvensional tanpa struktur array logam. Peningkatan besar pada serapan dapat disebabkan oleh efek plasmon permukaan coupling lokal yang disebabkan oleh struktur array nanolub logam. Dipercaya bahwa studi ini dapat memberikan panduan teoretis tertentu untuk fotodetektor inframerah berbasis titik kuantum skala nano yang berkinerja tinggi.
Latar Belakang
Fotodetektor inframerah semiconductor dapat digunakan untuk mendeteksi cahaya inframerah dan memiliki potensi aplikasi yang besar di bidang penelitian ilmiah, citra digital, komunikasi optik, dan militer. Hingga saat ini, fotodetektor inframerah titik kuantum (QDIP) telah menarik perhatian yang meningkat dalam beberapa tahun terakhir karena properti respons cahaya yang unggul dan tren menuju miniaturisasi perangkat [1,2,3]. Meskipun beberapa dekade upaya berkelanjutan para ilmuwan telah mencapai kemajuan besar dalam mengembangkan teknologi untuk mendapatkan QDIP berkinerja tinggi, masih perlu dilakukan perbaikan lebih lanjut untuk memenuhi tantangan miniaturisasi perangkat [4] dan kebutuhan praktis. Dinyatakan bahwa coupling gerbang logam pada wilayah aktif berbasis titik kuantum dapat dianggap sebagai pendekatan efektif untuk meningkatkan kinerja QDIP [5, 6], yang dapat menghasilkan koefisien fotoabsorpsi yang tinggi melalui coupling foto lokal efek peningkatan plasmon.
Menurut laporan, ada dua jenis utama struktur gerbang logam yang digunakan untuk meningkatkan kinerja QDIP. Satu adalah struktur array lub logam, dan yang lain adalah struktur array logam tanpa lub. Secara konkret, dalam aspek aplikasi struktur array lub logam, kelompok Chang menggabungkan array lub logam periodik dengan lapisan titik kuantum dalam QDIP pada tahun 2007, yang mengarah pada transmisi cahaya supernormal dari fotodetektor [7]. Pada tahun 2009, Lee et al. mengusulkan metode untuk QDIP dengan detektivitas tinggi dengan mengintegrasikan kristal fotonik logam dengan periode array lub 3,6 μm (ketebalan 100 nm) [8]. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode ini dapat merealisasikan respons puncak fotodetektor pada panjang gelombang 11,3 μm dan menghasilkan detektivitas yang ditingkatkan hingga 30 kali lipat dibandingkan tanpa kristal fotonik logam. Kemudian, mereka membahas kinerja QDIP tergantung pada cahaya insiden dan aplikasinya dalam array bidang fokus [9, 10]. Peningkatan kinerja serupa juga dapat ditemukan dalam laporan dengan menggunakan coupling gerbang array lub logam [11,12,13,14]. Struktur array logam tanpa lub juga diusulkan. Pada tahun 2011, Huang dan rekan-rekannya menggunakan lapisan nanopartikel perak plasmon yang diorganisir sendiri untuk meningkatkan respons spektral lebar QDIP dan mendapatkan peningkatan 2,4~3,3 kali lipat [15]. Pada tahun 2014, kelompok Chen melaporkan bahwa kinerja fotodetektor dapat ditingkatkan melalui efek medan dekat nanopartikel Au [16]. Pada tahun 2015, kelompok Ding dan kelompok Wang mengusulkan struktur coupling gelombang dan resonansi tunggal reflektor terdistribusi Prague [17, 18], masing-masing. Selain struktur yang disebutkan di atas, struktur logam lain, misalnya array strip antena dan array nano-disk juga dibahas dan dianalisis [19,20,21].
Namun, metode array tanpa lub ini juga dapat menunjukkan efek peningkatan dalam respons foto QDIP, tetapi proses pembuatannya dengan metode yang hemat biaya dan sederhana masih merupakan tantangan dibandingkan struktur array lub yang konvensional. Untuk struktur array lub konvensional, ukuran array lub umumnya pada skala mikron. Peningkatan respons foto melalui efek plasmon pada antarmuka di antara udara di lub logam mikron dan semikonductor di bawahnya. Ukuran array lub logam dapat dikurangi lebih lanjut ke skala nano yang cocok dengan ukuran titik kuantum dalam QDIO skala nano, apakah QDIP berkinerja tinggi dengan efek peningkatan yang sesuai dapat direalisasikan atau tidak. Pada saat yang sama, pekerjaan teoretis lebih lanjut diperlukan untuk menguraikan mekanisme di balik fenomena ini. Dalam studi ini, untuk menjelaskan fenomena dengan jelas, QDIP dengan struktur array nanolub logam skala nano dirancang, dan yang lebih penting dibandingkan QDIP mikron konvensional, efek peningkatan dijelaskan dengan menganalisis kondisi transmisi optik dan distribusi medan listrik. Hasil menunjukkan bahwa QDIP dengan struktur array logam skala nano dapat memiliki serapan foton hingga 86,47% karena interaksi foton-titik kuantum dan coupling cahaya yang efisien, yang dapat membuka jalan untuk desain dan optimisasi fotodetektor inframerah skala nano.
Model Desain QDIP dengan Array Nanolub
Secara umum, QDIP terdiri dari wilayah titik kuantum dan elektrode, dan wilayah titik kuantum terdiri dari lapisan titik kuantum periodik dan lapisan penghalang. Dalam kondisi ideal (mengabaikan pengaruh elektrode dan substrat), transmisi optik seluruh QDIP dapat dianggap sama dengan transmisi wilayah titik kuantum. Oleh karena itu, elektrode dan substrat tidak perlu muncul dalam desain QDIP. Secara spesifik, Gambar 1a memberikan desain QDIP konvensional, yang terdiri dari 5-lapisan komposit titik kuantum periodik, dan lapisan komposit ini terdiri dari lapisan penghalang A1GaAs dan lapisan GaAs yang termasuk titik kuantum periodik (Gambar 1b). Dalam konfigurasi saat ini, nanopartikel titik kuantum dianggap sebagai bentuk kubus yang sesuai dengan definisi titik kuantum yang terbentuk dari banyak atom dan molekul, dan berukuran 40 nm panjang, 40 nm lebar, dan 7~9 nm tinggi. Model titik kuantum yang serupa juga dapat ditemukan dalam laporan yang telah diterbitkan [22]. Luas QDIP diatur sebesar 1000 nm × 1000 nm, dan ketebalan lapisan penghalang AlGaAs adalah 60 nm. Array nanolub logam yang dipilih adalah Au ditempatkan pada struktur lapisan titik kuantum nano konvensional QDIP konvensional, yang disebut QDIP yang ditingkatkan ditampilkan pada Gambar 2. Radius lub dapat disesuaikan dalam rentang 50~70 nm. Perlu dicatat bahwa materi yang digunakan untuk membuat titik kuantum tidak dapat dengan mudah dianggap sebagai materi massa dengan indeks bias tertentu. Gambar 3 mengungkap karakteristik dispersi listrik materi GaAs yang digunakan untuk membentuk titik kuantum dengan menggunakan metode Edward D. Palik [23]. Pada gambar, kurva biru dan kurva merah mewakili konstanta dielektrik GaAs ε′ dan ε″, masing-masing. Gambar 4a dan b menunjukkan karakteristik dispersi listrik materi GaAs, Al0.3Ga0.7As dan materi logam emas, masing-masing.
a Diagram model struktural fotodetektor inframerah titik kuantum konvensional. b Distribusi titik kuantum dalam wilayah aktif dengan 5-lapisan komposit titik kuantum periodik. Lapisan komposit ini terdiri dari lapisan penghalang A1GaAs dan lapisan GaAsWilayah aktif titik kuantum dengan struktur array nanolub logam periodik untuk QDIP yang ditingkatkanHubungan dispersi materi GaAsa Hubungan dispersi materi AlGaAs. b Hubungan dispersi materi Au
Metode Perhitungan Berbasis Sel YEE
Berdasarkan model fisik yang dirancang di atas, metode integrasi elemen hingga digunakan untuk menghitung kondisi transmisi optik. Pertama-tama, berdasarkan sel YEE, persamaan integral Maxwell yang memenuhi model di atas ditulis sebagai berikut:
Dalam perhitungan kami, Eqs. 1–4 diskritisasi. Kedistribusi node medan listrik dan node medan magnet dipilih sebagai format "sel Yee". Menggunakan Eq. 1 sebagai contoh, model elektromagnetik fotodetektor dapat dipertimbangkan sebagai akumulasi "sel Yee". Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, empat sisi sel sembarang sesuai dengan Eq. 1, mewakili vektor medan listrik ei,ej,ek, dan el. Vektor yang terletak di arah normal adalah vektor medan magnet bn, dan sehingga Eq. 1 sebelumnya dapat ditulis ulang sebagai Eq. 5 berikut.
Menggabungkan Eqs. 7–10 yang diskritisasi dengan kondisi batas, medan listrik dan medan magnet dapat diselesaikan dengan metode iteratif. Dalam studi ini, struktur array lub logam ditempatkan di atas QDIP konvensional, dan sebagai akibatnya, struktur dapat memfasilitasi coupling cahaya melalui pencaharan Bragg. Komunikasi optik yang sesuai dihitung lebih lanjut, yang dapat dibahas dalam bagian berikut ketika kondisi transmisi, refleksi, dan serapan diberikan. Selain itu, berdasarkan hubungan antara serapan dan efisiensi kuantum, responsivitas QDIP dapat diberikan. Secara konkret, seperti yang diketahui bahwa responsivitas QDIP sebagai parameter kinerja yang sangat penting dapat dihitung dengan rasio arus foto dan daya cahaya insiden [24]. Jadi, dapat ditulis sebagai:
di mana Iphoto adalah arus foto QDIP, P adalah daya cahaya insiden, g adalah gain fotokonduktif, e adalah muatan elektron, h adalah konstanta Planck, v adalah frekuensi cahaya insiden, dan η adalah efisiensi kuantum.
Efisiensi kuantum dapat didefinisikan sebagai rasio jumlah lub elektron dan cahaya insiden, yang sangat tergantung pada serapan fotodetektor. Dalam praktiknya, karena cahaya insiden langsung menerangi wilayah serapan, cahaya tidak dapat terserap sepenuhnya karena refleksi lapisan kontak atas atau lapisan logam [25, 26]. Jadi efisiensi kuantum QDIP dapat ditulis sebagai:
di mana α0W adalah koefisien serapan QDIP, α0d adalah koefisien serapan lapisan kontak insiden, r adalah refleksi lapisan insiden, masing-masing.
Dalam QDIP, gain fotokonduktif dapat didefinisikan sebagai rasio waktu rekombinasi elektron dari keadaan terpanjang kembali ke titik kuantum τlife ke waktu transit elektron melintasi perangkat τtotal, dan dapat ditunjukkan sebagai:
$$ g=\frac{\tau_{life}}{\tau_{total}} $$ (13)
dan dalam kondisi bahwa waktu transit melalui satu periode lapisan komposit titik kuantum jauh lebih kecil dari waktu rekombinasi dari keadaan terpanjang kembali ke titik kuantum [22, 27], gain dapat ditulis sebagai:
di mana K adalah jumlah lapisan komposit titik kuantum, L adalah jarak antara lapisan titik kuantum, μ adalah mobilitas elektron, E adalah densitas medan listrik melintasi QDIP, vs adalah kecepatan saturasi elektron, hQD adalah tinggi titik kuantum, ∑QD adalah kepadatan titik kuantum dalam setiap lapisan titik kuantum, aQD adalah ukuran lateral titik kuantum, dan Vt adalah tingkat tangkapan elektron, masing-masing.
Memasukkan Eq. (12) dan Eqs. (14) ke dalam Eq. (11), kita dapat memperoleh responsivitas QDIP, yang dapat ditunjukkan sebagai:
Berdasarkan desain QDIP di atas, jika cahaya inframerah insiden mengenai bagian atas QDIP ini pada arah sumbu z, fotodetektor akan memiliki refleksi dan transmisi cahaya insiden. Serapan fotodetektor dapat ditentukan dengan mempelajari kondisi transmisi optik cahaya insiden ini, yang dapat memainkan peran yang sangat penting dalam mengevaluasi kinerja fotodetektor. Gambar 6 menyajikan kondisi refleksi fotodetektor tanpa array logam (QDIP konvensional) dan dengan array logam (QDIP yang ditingkatkan). Membandingkan dua kurva pada Gambar 6, dapat ditemukan bahwa nilai koefisien refleksi QDIP konvensional sedikit lebih kecil daripada QDIP yang ditingkatkan kecuali nilai individual dalam rentang frekuensi 250~260 Thz dan 279~293 Thz. Secara spesifik, mengambil nilai pada frekuensi 219 Thz sebagai contoh, nilai koefisien refleksi QDIP konvensional adalah -3,91 dB, sementara QDIP yang ditingkatkan adalah -1,31 dB. Seperti yang telah dikatakan di atas, QDIP yang ditingkatkan dapat memiliki nilai yang sedikit lebih tinggi daripada QDIP konvensional, tetapi dapat ditemukan bahwa serapan minimum QDIP yang ditingkatkan jauh lebih kecil daripada QDIP konvensional. Secara spesifik, serapan minimum QDIP yang ditingkatkan adalah -16,17 dB pada frekuensi 255,10 Thz, sedangkan nilai untuk QDIP konvensional sama dengan -13,42 dB pada 254,86 Thz. Koefisien refleksi rendah QDIP yang ditingkatkan dapat disebabkan oleh koefisien serapan logam yang lebih tinggi daripada pada semikonductor untuk cahaya inframerah. Serapan dapat dihitung berdasarkan kontribusi bersama refleksi dan transmisi. Gambar 7a menggambarkan koefisien transmisi QDIP konvensional dan nilainya yang ditandai dengan warna biru jelas lebih besar daripada QDIP yang ditingkatkan dalam rentang frekuensi total 200~340 Thz. Misalnya, pada frekuensi 298 Thz, koefisien transmisi QDIP yang ditingkatkan hanya -10,83 dB, yang 1,60 kali lebih kecil daripada QDIP konvensional, yaitu -4,15 dB. Menurut hubungan kompetitif di antara transmisi, refleksi dan serapan, penurunan koefisien transmisi akan mengarah pada peningkatan serapan dalam kondisi mengabaikan kehilangan lain dari cahaya insiden.
Koefisien refleksi QDIP konvensional tanpa array logam (kurva biru) dan QDIP yang ditingkatkan dengan array nanolub logam (kurva merah)Koefisien transmisi (a) dan koefisien serapan (b) QDIP konvensional dan QDIP yang ditingkatkan, masing-masing
Menggabungkan situasi transmisi pada Gambar 7a dengan situasi refleksi pada Gambar 6, serapan QDIP dapat dihitung, yang ditunjukkan pada Gambar 7b. Pada gambar, kurva merah (ditandai sebagai 60 nm ditingkatkan) menggambarkan serapan QDIP yang ditingkatkan dengan struktur logam, dan kurva biru lainnya mewakili QDIP konvensional tanpa struktur lub logam (ditandai sebagai 60 nm konvensional). Membandingkan dua kurva, dapat ditemukan bahwa serapan QDIP yang ditingkatkan lebih tinggi daripada QDIP konvensional. Maksimum serapan QDIP yang ditingkatkan adalah 0,782 pada frekuensi 286 Thz, yang 1,71 kali lebih tinggi daripada QDIP konvensional, yang hanya 0,458 pada frekuensi 257 Thz. Alasan peningkatan serapan QDIP yang ditingkatkan dapat dijelaskan sebagai berikut. Struktur array nanolub logam diperkenalkan di bagian atas QDIP konvensional, dan konfigurasi ini dapat mendukung efek resonansi plasmon permukaan, yang mengarah pada efek coupling lokal cahaya insiden. Lebih lanjut, efek coupling lokal dapat membuat lebih banyak cahaya insiden masuk ke dalam lapisan titik kuantum semikonductor di bawahnya, yang dapat menghasilkan serapan tinggi untuk cahaya insiden dan memiliki properti fotoelektrik yang lebih baik dengan arus foto yang lebih besar dan efisiensi kuantum yang lebih tinggi.
Untuk lebih memastikan bagaimana efek peningkatan plasmon direalisasikan dalam QDIP yang ditingkatkan, kita juga mempelajari pengaruh struktur nanolub logam yang berbeda terhadap serapan QDIP yang ditingkatkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a, kurva serapan QDIP yang ditingkatkan dengan radius nanolub logam yang berbeda sesuai dengan kurva hitam (50 nm), hijau (55 nm), merah (60 nm), dan biru (65 nm), masing-masing. Nilai serapan QDIP yang ditingkatkan menunjukkan tren perubahan yang berbeda di bawah berbagai nanolub. Nilai puncak serapan QDIP yang ditingkatkan adalah 0,744 (kurva hitam pada 289 Thz), 0,721 (kurva hijau pada 291 Thz), 0,782 (kurva merah pada 286 Thz), dan 0,707 (kurva biru pada 288 Thz), masing-masing. Secara jelas, di antara fotodetektor ini, QDIP yang ditingkatkan dengan radius lub 60 nm dapat memiliki kinerja serapan terbaik. Pada saat yang sama, diketahui bahwa ketebalan lapisan lub logam juga dapat mempengaruhi serapan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8b, ketika ketebalan lapisan logam dalam QDIP yang ditingkatkan diubah dari 10 hingga 40 nm, nilai puncak serapan secara berubah menjadi 0,667 (263 Thz untuk ketebalan 10 nm) hingga 0,782 (286 Thz untuk 20 nm), 0,662 (293 Thz untuk 30 nm), dan 0,590 (262 Thz untuk 40 nm). Di antara nilai puncak ini, lapisan nanolub logam dengan ketebalan 20 nm dapat memiliki nilai serapan tertinggi.
Serapan QDIP yang ditingkatkan (a) dengan berbagai radius dan berbagai ketebalan logam nanolub (b)
Untuk menjelaskan fenomena di atas dengan jelas, kita lebih lanjut mempelajari kondisi distribusi medan listrik di permukaan atas QDIP yang ditingkatkan dengan berbagai radius lub logam pada 286 Thz. Gambar 9 mengungkapkan distribusi medan listrik pada berbagai radius lub logam dalam rentang 50–65 nm. Membandingkan empat gambar pada Gambar 9a, jelas bahwa QDIP dengan radius lub 50 nm (Gambar 9a) dan 55 nm (Gambar 9b) dapat memiliki penguatan medan listrik yang relatif lemah karena distribusi medan listrik yang sesuai pada Gambar 9a dan b terletak di seluruh area termasuk lub dan wilayahnya yang berdekatan, sehingga efek coupling medan listrik lokal mereka dapat diabaikan, sedangkan area coupling medan listrik dengan medan listrik tinggi dapat diamati pada Gambar 9c dan d. Distribusi medan listrik kuat di sekitar lub pada Gambar 9c dan d dengan bentuk cincin dapat terletak pada antarmuka di antara lub logam dan udara di lub logam sebagai akibat efek coupling plasmon permukaan. Membandingkan distribusi medan listrik pada Gambar 9c dan d, efek coupling medan listrik pada Gambar 9c lebih kuat daripada pada Gambar 9d menurut warna yang ditandai yang merupakan campuran merah, hijau, dan biru. Dalam hal ini, warna merah mewakili medan terkuat, dan warna biru mewakili medan terlemah. Berdasarkan analisis di atas, nanolub logam dengan radius 60 nm memang menghasilkan efek penguatan medan listrik melalui plasmon permukaan. Untuk menjelaskan efek peningkatan dengan lebih jelas, distribusi medan listrik pada bidang xz yang sesuai dengan serapan maksimum QDIP yang dioptimasi pada frekuensi 286 Thz dalam studi kami ditunjukkan pada Gambar 10a, yang terletak pada bagian y = 0 (yang sesuai dengan bidang xz). Pada gambar, dari arah sumbu z, distribusi medan listrik yang ditingkatkan terletak di wilayah di antara lub logam bersebelahan yang ditandai dengan warna merah dan medan lemah terletak di wilayah lub logam yang ditandai dengan warna biru. Distribusi medan listrik secara langsung mengungkapkan peningkatan serapan QDIP. Adalah efek coupling peningkatan yang mengarah pada peningkatan serapan, dan lebih lanjut mengarah pada efisiensi kuantum yang tinggi dari QDIP yang ditingkatkan. Tentu saja, kesimpulan yang sama dapat juga ditarik dengan menganalisis distribusi medan magnet berdasarkan properti properti elektromagnetik cahaya. Karena diskusi distribusi medan magnet sama dengan distribusi medan listrik, tidak perlu dibahas dalam studi ini.
Distribusi medan listrik QDIP yang ditingkatkan dengan berbagai radius nanolub logam: ar = 50 nm, br = 55 nm, cr = 60 nm, dan dr = 65 nmax-direction elecrtic field of the optimized QDIP. b Electric field polarization of the improved QDIP. c Magnetic field polarization of the improved QDIP
Selain itu, seperti yang telah dikatakan di atas, efek peningkatan berasal dari plasmon permukaan, dan mode gelombang plasmon permukaan yang diangkit ditentukan lebih lanjut. Gambar 10a dan b menampilkan hasil medan listrik dan medan magnet. Pada gambar, Gambar 10b menunjukkan distribusi polarisasi medan listrik pada bidang yz. Terlihat bahwa medan listrik normal terhadap bidang yz, yaitu medan listrik tidak dapat memiliki komponen Ez. Gambar 10c menyajikan distribusi polarisasi medan magnet. Dapat ditemukan bahwa medan magnet sejajar dengan bidang yz, yaitu ada komponen Hz di arah propagasi cahaya insiden yang adalah arah z. Oleh karena itu, dalam studi kami, gelombang plasmon permukaan yang diangkit adalah mode TE. Lebih lanjut, untuk menjelaskan posisi yang digunakan untuk mengangkit plasmon permukaan, distribusi medan magnet di dekat antarmuka lub logam ditunjukkan di atas Gambar 10c. Terlihat bahwa medan magnet pada posisi di antara lub logam bersebelahan lebih kuat daripada di dalam lub logam. Selain itu, menurut medan listrik yang muncul pada Gambar 10a, juga dapat dibuktikan bahwa medan peningkatan terkonsentrasi pada lokasi di antara lub logam bersebelahan. Oleh karena itu, kesimpulan dapat ditarik bahwa efek plasmon permukaan dapat berasal dari antarmuka di antara logam dan semikonductor, yang terletak pada posisi di antara lub logam bersebelahan. Tentu saja, perlu diperhatikan bahwa peningkatan serapan tidak hanya berasal dari plasmon permukaan tetapi juga dari refleksi yang ditingkatkan dari lapisan logam, yang mengarah pada serapan sekunder dari cahaya insiden karena cahaya insiden diterapkan pada QDIP sepanjang sumbu z.
Diketahui bahwa parameter yang terkait dengan lapisan logam juga dapat memiliki pengaruh besar terhadap kinerja QDIP. Untuk menentukan parameter optimal, ketebalan lapisan penghalang dan lapisan titik kuantum lebih lanjut dianalisis dan dibahas dalam kondisi ketebalan lapisan logam yang dioptimasi (20 nm) dan radius lub logam (60 nm). Gambar 11a menggambarkan tren perubahan serapan fotodetektor dengan berbagai ketebalan lapisan penghalang dalam rentang 70–85 nm. Dari gambar, kurva serapan ini memiliki tren perubahan yang serupa. Ketika ketebalan lapisan penghalang bervariasi dalam rentang 70~85 nm, nilai serapan maksimum yang sesuai dari QDIP yang ditingkatkan adalah 0,7581 (70 nm, pada 322,78 Thz), 0,7763 (75 nm, pada 304,84 Thz ), 0,8552 (80 nm, pada 292,75 Thz), dan 0,8346 (85 nm, pada 284,17), masing-masing. Membandingkan nilai serapan maksimum ini, dapat ditemukan bahwa lapisan penghalang dengan ketebalan 80 nm dapat memiliki kinerja serapan terbaik untuk QDIP yang ditingkatkan. Tetapkan parameter lain dengan nilai optimal di atas, pengaruh ketebalan lapisan titik kuantum terhadap kinerja serapan QDIP yang ditingkatkan lebih lanjut diteliti, dan kurva yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 11b. Dari gambar, dapat ditemukan bahwa kurva merah dapat memiliki nilai serapan maksimum 0,8647 pada frekuensi 295,48 Thz untuk QDIP yang ditingkatkan dengan ketebalan lapisan 7 nm, yang menggambarkan bahwa fotodetektor dapat memiliki status transisi optimal.
Serapan QDIP yang ditingkatkan dengan berbagai ketebalan a lapisan titik kuantum dan b lapisan penghalang
Berdasarkan diskusi di atas, jelas bahwa tidak hanya parameter yang terkait dengan QDIP yang dapat mempengaruhi kinerja perangkat, tetapi ketebalan lapisan titik kuantum dan lapisan penghalang juga dapat menentukan kinerja perangkat. Dalam studi ini, berdasarkan hasil perhitungan teoretis, parameter optimal untuk QDIP yang ditingkatkan dapat diberikan dengan ketebalan lapisan logam 20 nm, radius lub logam 60 nm, ketebalan lapisan titik kuantum 7 nm dan ketebalan lapisan penghalang 80 nm. Serapan fotodetektor optimal dapat sebesar 0,8647. Lebih lanjut, membandingkan QDIP konvensional dengan QDIP yang dioptimasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12, nilai serapan pada kurva merah jauh lebih tinggi daripada pada kurva biru kecuali nilai dalam rentang frekuensi 222,91~262,18 Thz. Maksimum serapan pada kurva merah sama dengan 0,8647 pada frekuensi 295,48 Thz, yang 1,89 kali lebih besar daripada pada kurva biru (yang sama dengan kurva sebelumnya yang ditandai "60 nm konvensional" pada Gambar 7b yang sesuai dengan QDIP tanpa array lub logam) pada frekuensi 257 Thz. Pergeseran frekuensi untuk puncak serapan maksimum terutama disebabkan oleh perubahan ketebalan fotodetektor yang ditingkatkan. Lebih lanjut, berdasarkan parameter optimal QDIP, ketebalan lapisan titik kuantum dan lapisan penghalang, nilai efisiensi kuantum dan responsivitas fotodetektor dihitung.
Serapan QDIP konvensional pada kurva biru dan QDIP yang ditingkatkan pada kurva merah dengan ketebalan lapisan penghalang 80 nm
Efisiensi Kuantum dan Responsivitas QDIP
Berdasarkan hasil perhitungan serapan pada Gambar 12 serta digabungkan dengan ekspresi efisiensi kuantum dan responsivitas QDIP di atas, efisiensi kuantum QDIP dan responsivitas dapat dihitung, dan hasil yang sesuai diplot pada Gambar 13a dan b. Gambar 13a menggambarkan efisiensi kuantum QDIP. Pada gambar ini, kurva biru bertitik mewakili efisiensi kuantum QDIP tanpa array logam, sementara kurva merah penuh lainnya adalah dari QDIP yang dioptimasi dengan array logam. Membandingkan dua kurva, dapat diamati bahwa efisiensi kuantum maksimum QDIP yang dioptimasi adalah 0,2961 pada frekuensi 295,87 Thz, dan adalah 1,205 kali lipat dari QDIP konvensional, yang sama dengan 0,2458 pada frekuensi 256,48 Thz. Tren peningkatan serupa dengan serapan yang diberikan pada Gambar 12 yang disebabkan oleh perkenalan array lub logam dan optimisasi fotodetektor inframerah titik kuantum. Berdasarkan tren peningkatan serapan, kita dapat menemukan bahwa responsivitas QDIP juga menunjukkan tren peningkatan yang serupa. Secara spesifik, Gambar 13b memberikan responsivitas QDIP yang dioptimasi dan QDIP konvensional, masing-masing. Pada gambar, kurva merah mewakili responsivitas QDIP konvensional, dan kurva biru mewakili responsivitas QDIP yang dioptimasi dengan lapisan lub logam. Serupa dengan analisis pada Gambar 13a, responsivitas adalah 0,0326 mA/W pada frekuensi 295,87 Thz, yang 0,0174 lebih besar daripada QDIP konvensional pada frekuensi 256,48 Thz (yang 0,0152). Peningkatan responsivitas dapat dibuktikan pada rentang frekuensi lain dalam rentang 229,57~254,41 Thz, yang secara jelas menunjukkan peningkatan kinerja fotodetektor karena perkenalan array lub logam dan optimisasi wilayah titik kuantum. Lebih lanjut, alasan peningkatan ini dibahas secara detail dengan menganalisis distribusi medan listrik wilayah titik kuantum di atas.
a Efisiensi kuantum QDIP. b Responsivitas QDIP
Pengaruh Elektroda dan Substrat
Yang telah diteliti di atas semuanya dalam kondisi mengabaikan pengaruh elektroda dan substrat; sebenarnya, elektroda dan substrat dapat memiliki pengaruh tertentu terhadap kinerja, tetapi mereka tidak mempengaruhi deskripsi efek peningkatan kinerja QDIP yang dioptimasi dengan lapisan logam. Hal ini karena elektroda dan substrat dapat memiliki pengaruh yang hampir sama terhadap serapan QDIP dengan lapisan logam dan tanpa lapisan logam. Untuk menjelaskan isu ini dengan memadai, kita menghitung ulang serapan QDIP mempertimbangkan pengaruh yang timbul dari substrat dan elektroda serta efisiensi kuantum, responsivitas, dan sebagainya. Secara konkret, diketahui bahwa elektroda umumnya dirancang di kedua ujung wilayah serapan titik kuantum, dan sehingga, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14a, satu berada di bagian atas QDIP konvensional dan yang lain berada di ujung bawah wilayah serapan QDIP. Artinya, ia terletak di bagian atas substrat, yang dapat menyediakan wilayah serapan titik kuantum dengan tegangan bias dan transmisi arus bersama dengan elektroda yang disebut di atas. Di sini, perlu disebutkan bahwa ada array lub logam alih-alih cincin logam dalam QDIP yang dioptimasi dalam studi kami yang digunakan sebagai elektroda. Elektroda lainnya mirip dengan QDIP konvensional. Berdasarkan desain di atas, distribusi konkret elektroda dihitung dengan jelas pada Gambar 14a. Serupa dengan Gambar 14a, pada Gambar 14 b, materi elektroda dipilih sebagai emas, dan substrat dipilih sebagai AlGaAs; ketebalannya masing-masing 20 nm dan 300 nm.
a QDIP konvensional dengan elektroda dan substrat. b QDIP yang dioptimasi dengan elektroda dan substrat
Berdasarkan perkenalan elektroda dan substrat dalam struktur QDIP di atas, kita menghitung serapan QDIP, dan hasil yang sesuai dibandingkan dengan QDIP tanpa elektroda dan substrat. Gambar 15 menunjukkan pengaruh elektroda dan substrat terhadap serapan QDIP. Pada gambar, kurva biru dan kurva muda adalah serapan QDIP konvensional tanpa elektroda dan substrat dan serapan QDIP yang dioptimasi tanpa elektroda dan substrat, masing-masing. Kurva merah putus-putus mewakili serapan QDIP yang dioptimasi dengan elektroda dan substrat. Maksimum serapannya adalah 0,7620 pada frekuensi 304,35 Thz yang hanya 0,1027 lebih kecil daripada QDIP yang dioptimasi tanpa elektroda dan substrat. Penurunan serapan disebabkan oleh kehilangan elektroda dan substrat, sama seperti kurva hijau dengan serapan QDIP konvensional dengan elektroda dan substrat. Membandingkan serapan QDIP konvensional dan QDIP yang dioptimasi dengan elektroda dan substrat, peningkatan sangat jelas dalam serapan QDIP yang dioptimasi dengan elektroda dan substrat, yang sama dengan QDIP yang dioptimasi pada Gambar 12. Dengan kata lain, meskipun elektroda dan substrat dapat mengakibatkan penurunan serapan, total serapan QDIP yang dioptimasi dapat ditingkatkan dibandingkan QDIP polos, dan sehingga penurunan dapat diabaikan karena mereka dapat memiliki pengaruh yang sangat kecil pada deskripsi peningkatan QDIP yang dioptimasi ketika menggunakan array lub logam.
Serapan QDIP dengan elektroda dan substrat
Selain itu, dapat diamati bahwa tren perubahan serapan QDIP dengan elektroda dan substrat tidak dapat sama dengan kurva sebelumnya (yang sesuai dengan kurva biru dan kurva muda). Mereka lebih kompleks dengan banyak nilai puncak. Alasan fenomena ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Pertama-tama, penambahan elektroda dan substrat dapat menghasilkan kehilangan lebih atau kurang dan pergantian frekuensi karena efek pemanasan yang terkumulasi dan faktor pengaruh negatif lainnya. Keduanya, karena materi elektroda dipilih sebagai logam, dalam QDIP yang dioptimasi dengan elektroda dan substrat, dapat menghasilkan refleksi yang ditingkatkan dan plasmon permukaan yang ditingkatkan. Kedua alasan ini secara umum mendukung peningkatan serapan sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 15.
Kesimpulan
Dalam kesimpulan, kinerja QDIP konvensional dapat ditingkatkan secara besar-besaran dengan menambahkan array nanolub logam skala nano, dan mekanisme peningkatan kinerja untuk QDIP yang ditingkatkan dibahas dengan menganalisis refleksi, transmisi, serapan, dan distribusi medan listrik. Hasil tidak hanya menunjukkan bahwa QDIP yang ditingkatkan dapat memiliki serapan yang lebih tinggi daripada QDIP konvensional tetapi juga menunjukkan bahwa parameter QDIP yang ditingkatkan yang terkait dengan array nanolub logam bersama dengan lapisan komposit titik kuantum dapat secara signifikan mempengaruhi kinerja mereka. Menurut perhitungan teoretis, parameter optimal fotodetektor yang ditingkatkan adalah ketebalan lapisan logam 20 nm, radius lub logam 60 nm, ketebalan lapisan titik kuantum 7 nm, dan ketebalan lapisan penghalang 80 nm. Nilai serapan maksimum fotodetektor yang dioptimasi dapat mencapai 86,47% pada frekuensi ~ 300 Thz. Peningkatan besar pada serapan dapat disebabkan oleh efek coupling lokal yang disebabkan oleh penguatan efek medan listrik melalui plasmon permukaan, dan lebih lanjut mengarah pada efisiensi kuantum dan responsivitas yang tinggi, yang masing-masing 0,2961 dan 0,0326 mA/W. Dipercaya bahwa kontribusi saat ini dapat memberikan panduan teoretis tertentu untuk mengembangkan QDIP skala nano dengan kinerja tinggi.
