Fotodetectoren zijn apparaten die door licht overgedragen informatie omzetten in een elektrisch signaal dat door elektronische schakelingen en computers kan worden verwerkt. Ze zijn te vinden in alledaagse apparaten, zoals televisie-afstandsbedieningen en bewegingssensoren, en ze zijn een belangrijk onderdeel van veel kunstmatige intelligentie en Internet of Things (IoT)-technologieën. Maar de grootste en de snelst groeiende markt voor hen is in datacenters en telecommunicatie, waar elk jaar tientallen miljoenen worden ingezet om te voldoen aan de torenhoge opslagvereisten van onze computertechnologie.

De groei in deze industrieën heeft van de fotodetector een veelgevraagd product gemaakt, maar hun fabricage vereist dure materialen, zoals goud en titanium, en zeer gecontroleerde omstandigheden geproduceerd door kapitaalintensieve apparatuur met hoge onderhoudskosten.

Onderzoekers van Drexel University rapporteerden onlangs over een nieuwe manier om de sensoren te maken, met behulp van een soort tweedimensionaal materiaal genaamd MXene, dat verbetert hun gevoeligheid en verlaagt de productiekosten aanzienlijk.

In hun onderzoek hebben die onlangs in het tijdschrift stond Geavanceerde materialen , de groep laat zien hoe het vervangen van goud door een doorschijnend dunne laag MXene-materiaal het mogelijk kan maken om het productieproces van fotodetectoren op te schalen en sensoren te produceren die superieur zijn aan de huidige gouden standaard.

"Dit is een belangrijke ontwikkeling omdat de wereldwijde vraag naar fotodectors tegen het jaar 2024 naar verwachting $ 2 miljard zal bereiken, er is dus een dringende behoefte om het proces op te schalen en duurzamere materialen te vinden om als componenten te gebruiken, " zei Pouya Dianat, doctoraat, een assistent-onderzoeksprofessor in Drexel's College of Engineering en een co-auteur van het papier.

Fotodetectoren zetten lichtstraling om in elektrische stroom. Ze gebruiken meestal goud als hun contactmateriaal om het detectormateriaal met de rest van het circuit te verbinden, omdat het zeer geleidend is. Deze detectoren komen steeds vaker voor in een reeks toepassingen die de snelle overdracht van gegevensvolumes vereisen, zoals geautomatiseerde montage, verpakkings- en bezorgsystemen die groeien om de explosie van online winkelen op te vangen. Torenhoge rekken van hen worden gebruikt in datacenters ter grootte van een magazijn om informatie over de gebouwen te stralen die een oppervlakte van vier voetbalvelden kunnen beslaan.

Omdat MXenen, die tweedimensionale dunne gelaagde materialen zijn, zijn veelzijdig genoeg om zeer geleidend te blijven wanneer ze in verschillende vormen worden aangebracht - van spuitverf, kleien, inkt - ze zijn naar voren gekomen als een aantrekkelijke kandidaat voor gebruik, in transparante filmvorm, als elektroden in fotodetectoren.

"Een van de grootste uitdagingen bij het fabriceren van fotodetectoren is de afzetting van gouden contacten. Naast de kosten van het goud zelf, het fabricageproces moet worden uitgevoerd bij een hoge temperatuur en in een vacuümkamer, wat ook vrij duur is, " zei Kiana Montazeri, een doctoraal onderzoeker en hoofdauteur van het artikel. "We vervangen goud door MXenes, die minder dure materialen zijn, en het produceren van de fotodetectorcomponenten door deze in omgevingscondities te deponeren met behulp van een tafelbladspinner."

Dit dunnefilmdepositieproces, werkt zoiets als het plaatsen van een klodder inkt in een centrifuge en vervolgens de resulterende splatter van de muur afpellen. Als een relatief eenvoudig proces dat kan worden uitgevoerd onder normale atmosferische omstandigheden op een substraat met een patroon, het kan eenvoudig worden opgeschaald tot massaproductie van MXene-fotodetectoren.

De gevoeligheid van fotodetectoren is gekoppeld aan het oppervlak van het lichtgevoelige materiaal. Hoewel grotere sensoren wenselijker zouden zijn, hun grootte vereist ook meer optisch vermogen om te werken, en zorgt ervoor dat de reactie traag is. Omdat ze geleidend zijn, MXene-films kunnen worden gebruikt in meerdere componenten van de sensoren, waardoor bijna het gehele oppervlak van het apparaat verandert in een detectiegebied, zonder afbreuk te doen aan de energie-efficiëntie of prestaties.

"De interesse in MXenes is recentelijk om een ​​aantal redenen explosief gestegen, de belangrijkste daarvan is dat ze kunnen worden gemengd met water om sprays en inkten te maken, terwijl ze behoorlijk geleidend blijven, " zei Bahram Nabet, doctoraat, een professor aan het Drexel's College of Engineering en een co-auteur van het artikel "Het gebruik van transparante MXene-film als de contacten in fotodetectoren biedt een duidelijk voordeel omdat het de wisselwerking tussen transportafstand en responsiviteit verkleint."

In de krant melden de onderzoekers dat de MXene-filmfotodetectoren die ze hebben gemaakt, ongeveer vier keer beter presteerden - in termen van gevoeligheid - dan de huidige apparaten gemaakt met goud. Dit betekent dat ze gebruikt kunnen worden om datacenters een stuk energiezuiniger te maken.

"De volgende stap voor dit werk is om door te gaan met het standaardiseren van het productieproces en het ontwikkelen van methoden voor het stabiliseren van MXene-componenten voor gebruik in verschillende omgevingen en omstandigheden, zei Michel Barsoum, doctoraat, Distinguished professor in het College of Engineering. "We verwachten dat deze ontdekking de deur zal openen voor het gebruik van MXene in een breed scala aan opto-elektronische apparaten, zoals fotodiodes en fototransistoren, maar ook in ontsluitende technologieën zoals micro-elektronica, fotonische geïntegreerde schakelingen en siliciumfotonica."