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Reconfigurable 2D/0D p-n Graphene/HgTe Nanocrystal Heterostructure for Infrared Detection

Authors :
Louis Donald Notemgnou Mouafo
Ulrich Nguétchuissi Noumbé
Luis E. Parra López
Audrey Chu
Clément Livache
Jean-Francois Dayen
Abdelkarim Ouerghi
Charlie Gréboval
Bernard Doudin
Hicham Majjad
Julien Chaste
Stéphane Berciaud
Emmanuel Lhuillier
chaste, julien
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE)
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Physico-chimie et dynamique des surfaces (INSP-E6)
Institut des Nanosciences de Paris (INSP)
Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N)
Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
lhuillier, emmanuel
Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche - - SUPER2011 - ANR-11-IDEX-0004 - IDEX - VALID
Hétérostructures bi-dimendionnelles hybrides pour l'optoélectronique - - H2DH2015 - ANR-15-CE24-0016 - AAPG2015 - VALID
APPEL À PROJETS GÉNÉRIQUE 2018 - Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique - - IPER-Nano22018 - ANR-18-CE30-0023 - AAPG2018 - VALID
Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge - - COPIN2019 - ANR-19-CE24-0022 - AAPG2019 - VALID
Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges - - FRONTAL2019 - ANR-19-CE09-0017 - AAPG2019 - VALID
Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides - - GRaSkop2019 - ANR-19-CE09-0026 - AAPG2019 - VALID
ERC blackQD - blackQD - 756225 - INCOMING
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European Project: 756225,blackQD
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Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)
Source :
ACS Nano, ACS Nano, 2020, 14 (4), pp.4567-4576. ⟨10.1021/acsnano.0c00103⟩, ACS Nano, 2020, ⟨10.1021/acsnano.0c00103⟩, ACS Nano, American Chemical Society, 2020, ⟨10.1021/acsnano.0c00103⟩, ACS Nano, American Chemical Society, 2020, 14 (4), pp.4567-4576. ⟨10.1021/acsnano.0c00103⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
HAL CCSD, 2020.

Abstract

International audience; Nanocrystals are promising building blocks for the development of low-cost infrared optoelectronics. Gating a nanocrystal film in a phototransistor geometry is commonly proposed as a strategy to tune the signal to noise ratio by carefully controlling the carrier density within the semiconductor. However, the performance improvement has so far been quite marginal. With metallic electrodes, the gate dependence of the photocurrent follows the gate-induced change of the dark current. Graphene presents key advantages: (i) infrared transparency that allows back-side illumination, (ii) vertical electric field transparency and (iii) carrier selectivity under gate bias. Here, we investigate a configuration of 2D/0D infrared photodetectors taking advantage of a high capacitance ionic glass gate, large scale graphene electrodes, and a HgTe nanocrystal layer of high carrier mobility. The introduction of graphene electrodes combined with ionic glass enables to reconfigure selectively the HgTe nanocrystals and the graphene electrodes between electrons (n) and holes (p) doped states. We unveil that this functionality enables to design a 2D/0D p-n junction that expands throughout the device, with a built-in electric field that assists charge dissociation. We demonstrate that in this specific configuration, the signal to noise ratio for infrared photodetection can be enhanced by two orders of magnitude, and that photovoltaic operation can be achieved. The detectivity now reaches 109 Jones while the device only absorbs 8% of the incident light. Additionally, the time response of the device is fast (

Details

Language :
French
ISSN :
19360851
Database :
OpenAIRE
Journal :
ACS Nano, ACS Nano, 2020, 14 (4), pp.4567-4576. ⟨10.1021/acsnano.0c00103⟩, ACS Nano, 2020, ⟨10.1021/acsnano.0c00103⟩, ACS Nano, American Chemical Society, 2020, ⟨10.1021/acsnano.0c00103⟩, ACS Nano, American Chemical Society, 2020, 14 (4), pp.4567-4576. ⟨10.1021/acsnano.0c00103⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....7bd9af1054de28d4cb386138a9230e52
Full Text :
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c00103⟩