Onderzoekers van de Universiteit van Toronto en het Barcelona Institute of Science and Technology hebben onlangs nieuwe, in een oplossing verwerkte perovskiet-fotodetectoren gemaakt die opmerkelijke efficiënties en responstijden vertonen. Deze fotodetectoren, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Electronics , hebben een uniek ontwerp dat de vorming van defecten tussen de verschillende lagen voorkomt.

"Er is een groeiende interesse in 3D-beeldvorming voor autonoom rijden en consumentenelektronica", vertelde Edward H. Sargent aan TechXplore. "We hebben jarenlang als een team gewerkt aan het vinden van nieuwe materialen die lichtgevoelige technologieën mogelijk maken, zoals beeldsensoren van de volgende generatie, en we streven ernaar deze in een richting te sturen die een commerciële en maatschappelijke impact zou kunnen hebben."

Fotodetectoren, detectieapparaten die licht detecteren of erop reageren, kunnen tal van zeer waardevolle toepassingen hebben. Ze kunnen bijvoorbeeld worden geïntegreerd in robotsystemen, autonome voertuigen, consumentenelektronica, omgevingssensortechnologie, glasvezelcommunicatiesystemen en beveiligingssystemen.

"In deze toepassingen is snelle fotodetectie vereist in golflengtebereiken buiten het menselijk zicht", zei Amin Morteza Najarian. "Silicium, de legacy-benadering - en ideaal voor elektronische uitlezing - verenigt op zichzelf geen hoge efficiëntie met hoge snelheid, als gevolg van de indirecte bandgap, een eigenschap van de bandstructuur van silicium die een zwakke absorptie produceert (vandaar de behoefte aan dikke silicium) in het nabij-infrarood."

In een reeks initiële computerstudies identificeerden Sargent en zijn team een ​​binaire perovskiet met een hoge dragermobiliteit en een hoge absorptiecoëfficiënt die kon concurreren met de momenteel gebruikte materialen in termen van zowel efficiëntie als snelheid. De fotodetector die in hun recente artikel is geïntroduceerd, is gebaseerd op dit nieuw geïdentificeerde, actieve materiaal.

"Wanneer licht wordt geabsorbeerd door de perovskiet-actieve laag, worden de door foto gegenereerde elektronen en gaten geëxtraheerd door elektronen- en gatentransportlagen", zei co-auteur Maral Vafaie. "Om snelle reactietijden te bereiken, moeten deze ladingsdragers snel over de apparaten bewegen, inclusief de transportlagen. Nikkeloxide (NiO_x ) wordt gekenmerkt door een hoge kristalliniteit en mobiliteit, waardoor het een ideale optie is voor gatentransportlaag (HTL)."

Toen ze hun apparaten voor het eerst begonnen te testen, ontdekten de onderzoekers dat er een chemische incompatibiliteit was tussen de gevestigde anti-oxidatiestrategie voor PbSn-perovskieten en de NiO_x laag. Zo bedachten ze een methode om zuurstof uit het apparaat te verwijderen, ongewenste tinsoorten om te zetten en ervoor te zorgen dat er geen schadelijke resten achterblijven.

Bij de eerste evaluaties bereikten de fotodetectoren die zijn gemaakt door Sargent, Najarian, Vafaie en hun collega's zeer veelbelovende resultaten, zowel in termen van kwantumefficiëntie als reactietijden. Het team toonde ook aan dat hun apparaten submillimeterafstanden kunnen oplossen met een typische standaarddeviatie van 50 m.

"We hebben aangetoond dat fotodetectoren die zijn vervaardigd met behulp van binaire perovskieten, bijna-infraroodlicht omzetten in een elektrisch signaal met een efficiëntie van meer dan 85% met een responstijd die sneller is dan een fractie van nanoseconden", aldus Sargent en Morteza Najarian. "Dit is een verbetering van 100 keer vergeleken met eerder gerapporteerde fotodetectoren die met oplossingen zijn verwerkt. We demonstreren deze prestatiestatistieken bij het ruimtelijk oplossen van submillimeterafstanden, d.w.z. het bieden van diepteresolutie."

In de toekomst kunnen de nieuwe, in een oplossing verwerkte perovskiet-fotodetectoren, gemaakt door Sargent, Morteza Najarian en hun collega's, waardevol zijn voor het creëren van LiDAR-technologie (d.w.z. hulpmiddelen voor het bepalen van variabele afstanden tussen objecten) en sensoren voor autonome voertuigen of robots. Ondertussen zijn de onderzoekers van plan door te gaan met zoeken naar voordelige materialen en nieuwe componenten te ontwerpen voor detectietechnologieën.

"In toepassingen voor langeafstandsdetectie en -bereik (LiDAR) bereikt slechts een kleine fractie van het verstrooide licht van de objecten de fotodetector", voegde Sargent en Morteza Najarian toe. "Als men de verlichting en detectie verschuift naar het kortegolf-infraroodgebied (bijv. 1550 nm), wordt een hoger lichtvermogen mogelijk zonder oogveiligheidsproblemen te veroorzaken. We werken aan de volgende generatie III-V-halfgeleiders met dit in gedachten." + Verder verkennen

Onderzoekers ontwerpen zeer gevoelige, in massa produceerbare organische fotodetectoren

© 2022 Science X Network