Full-color fotodetectoren die licht kunnen omzetten in elektrische signalen zonder geavanceerde kleurfilters en interferometrische optica hebben veel aandacht gekregen voor wijdverbreide toepassingen. Echter, technische uitdagingen hebben wetenschappers belet multispectrale halfgeleiders te combineren en de efficiëntie van fotonoverdracht te verbeteren om in de praktijk hoogwaardige opto-elektronische apparaten te vormen. In een recent rapport over wetenschappelijke vooruitgang , Jaehyun Kim en een onderzoeksteam in materiaalwetenschap en techniek in de VS en Korea, beschreef een bij lage temperatuur gefabriceerd (150 graden C), tweedimensionaal (2-D) gepixeld, full-color fotodetector met behulp van monolithische integratie van quantum dots gekoppeld aan amorfe indium-gallium-zink-oxide halfgeleiders.

Ze introduceerden chelerende chalcometallaat (gecombineerde synthetisch metaal/halfgeleider) liganden om met succes zeer efficiënt ladingsdragertransport en fotoresistorvrije fijne patronen van 2D-lagen te realiseren. De bestanddelen vertoonden een extreem hoge fotodetectiviteit en fotoresponsiviteit over een breed scala aan golflengten. Op basis van deze technieken, het onderzoeksteam implementeerde een golflengte-onderscheidbare fototransistorcircuitarray op een huidachtig zacht platform als een veelzijdige en schaalbare benadering om brede spectrale beeldsensoren en mensgerichte biologische apparaten te vormen.

Materiaalwetenschappers streven ernaar onderling verbonden full-color [variërend over het ultraviolette (UV) spectrum tot infrarood (IR)] fotodetectoren te ontwikkelen die zijn ontworpen op een huidachtig zacht platform om zinvolle informatie van het menselijk lichaam en de omgeving te verzamelen. Dergelijke technologieën zullen toepassingen hebben als neuromorfe beeldsensoren, zachte robotica en als biologische gezondheidsmonitors. Vergeleken met enkel- of smalband fotodetectie, 2-D full-color fotodetectie op een enkel platform is aanzienlijk voordelig om betrouwbare en uitgebreide informatie te verkrijgen. Om de bestaande uitdagingen van de fabricage van 2-D full-color apparaten te overwinnen, onderzoekers hadden eerder fotodetectoren ontwikkeld met nieuwe fotogevoelige materialen om apparaatarchitecturen te vormen voor breedbandfotodetectie. Deze omvatten colloïdale kwantumdots, amorfe oxidehalfgeleiders (AOS's), organische halfgeleiders, perovskietmaterialen en 2D-materialen zoals grafeen en overgangsmetaaldichalcogeniden.

Hoewel eerdere vorderingen opmerkelijk zijn, ze omvatten typisch een smalbandabsorberend materiaal met een beperkte afstembaarheid van de bandgap en een beperkt golflengte-onderscheidend vermogen. Om grenzen te overwinnen, colloïdale kwantumdots (QD's) hebben de aandacht getrokken vanwege hun unieke opto-elektronische kenmerken, waaronder de afstembaarheid van de brede bandafstand en verhoogde lichtabsorptiecoëfficiënten. Maar ze worden zelden gemeld tijdens toepassingen van zeer gevoelige full-color fotodetectie.

In de nieuwe studie Kim et al. ontwikkelde een veelzijdige en schaalbare aanpak voor een groot gebied om de detectiebandbreedte van een fotodetector uit te breiden van UV naar IR. De wetenschappers gebruikten monolithische integratie van QD's met op amorfe indium-gallium-zink-oxide (a-IGZO) gebaseerde dunne-filmtransistoren (TFT's) of fototransistoren om een ​​lage-temperatuur 2-D in-pixel ladingintegratieschakeling (CIC) te implementeren. array voor kleurdiscriminatie. Om ultrahoge fotodetectie te bereiken, ze introduceerden een elektrisch hoogpresterende en trap-gereduceerde chelerende chalcometallaatligand (gecombineerd metallisch en halfgeleiderligand) voor QD's (quantum dots). Kim et al. verkreeg ook patroonvorming met hoge resolutie van meerdere QD-lagen via directe fotopatronen en demonstreerde dat hun gepixelde fototransistoren een huidachtig, tweedimensionale fotodetector die in staat is tot positieafhankelijke full-color fotodetectie.

Het onderzoeksteam voerde twee strategieën uit om full-color fotodetectie met hoge gevoeligheid te realiseren; eerst ontwierpen ze de fotodetectorarchitectuur naast een in-pixelcircuit voor hoge gevoeligheid. Vervolgens combineerden ze QD's met een a-IGZO (indium-gallium-zink-oxide) actieve laag voor full colour lichtabsorptie en zeer efficiënte ladingsverzameling. Ze ontwikkelden de flexibele QD/a-IGZO-fotodetector op een ultradun polyimide (PI) substraat. Gebruik vervolgens transversale transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) om het stapelen van QD's op de a-IGZO-laag te bevestigen, naast een uniforme verdeling van de QD-laag. Om het volledige kleurbereik te detecteren, het team omvatte een verscheidenheid aan QD-lagen met verschillende bandgaps op de a-IGZO-laag.

Wetenschappers hadden eerder halfgeleidende QD's ingebed in verschillende opto-elektronische apparaten, maar ladingstransport bleef vaak beperkt door liganden die de QD's met elkaar verbinden. Om de efficiëntie van de ladingoverdracht van het apparaat te verbeteren, ze onderzochten geleidende liganden, waaronder ethaandithiol, thiocyanaat en atomaire liganden. Het huidige team van onderzoekers koos voor Sn ₂ S ₆ ^4- als het ideale systeem uit een verscheidenheid aan chalcometallaatliganden en geselecteerde SCN ^- op ligand gebaseerde QD's als referentie - vanwege uitgebreid onderzoek naar hun hoge geleidbaarheid en mobiliteit in elektronische apparaten.

In de proefopstelling is SCN ^- afgedekte QD's ontleden gemakkelijk om zwavelvacatures op het QD-oppervlak te vormen, waardoor efficiënte ladingsoverdracht tussen de QD's en de a-IGZO-kanaallaag wordt voorkomen. Ter vergelijking, de bidentaat (doneert twee elektronenparen aan een metaalatoom) Sn ₂ S ₆ ^4- liganden hadden minimale zwavelvacatures op het QD-oppervlak. De fotogegenereerde elektronen van Sn ₂ S ₆ ^4- afgetopte QD's worden daarom efficiënt overgebracht naar de geleidingsband van de a-IGZO-kanaallaag. Dit resulteerde in een grote energiebarrière en ladingsverzameling met minimale opsluiting voor de fotogegenereerde gaten om in de QD's of in de buurt van de QD/a-IGZO-interface te blijven.

De wetenschappers onderzochten optische responskenmerken van QD/a-IGZO-fototransistoren met een verscheidenheid aan spectroscopische analyses, inclusief interfacial trap-gerelateerde ruisanalyse en scanning photocurrent microscopie (SPCM). Ze merkten de SCN . op ^- afgedekte cadmiumselenide (CdSe) fototransistoren hebben ongeveer 10 ³ keer hogere valdichtheid dan Sn ₂ S ₆ ^4- afgetopte CdSe QD/a-IGZO fototransistoren. de sn ₂ S ₆ ^4- afgedekte fototransistor vertoonde een groot Gauss-stroomprofiel met een door fotovoltaïsch gedomineerd proces, overwegende dat de SCN ^- afgedekte fototransistor vertoonde een duidelijke fotothermo-elektrische respons. Als resultaat, Kim et al. observeerde het fotostroomniveau van Sn ₂ S ₆ ^4- afgetopte apparaten veel hoger zijn dan SCN ^- afgetopte apparaten, vanwege de efficiënte overdracht van door foto gegenereerde elektronen van CdSe QD's naar de a-IGZO-laag zonder een probleem met het vangen van ladingsdragers.

Het onderzoeksteam vergeleek de lichtgevoeligheid en fotodetectiviteit van de twee fototransistoren onder wit licht en breedbandverlichting om een ​​hoge fotorespons in Sn waar te nemen. ₂ S ₆ ^4- afgedekte fototransistoren. Ze schreven het resultaat toe aan de extreem lage flikkerruis van het apparaat en de hoge geleidende en trap-gereduceerde Sn ₂ S ₆ ^4- liganden van CdSe QD's. Kim et al. registreerde verder een kleinere fotorespons van 0,27 seconden tot 90 milliseconden; voldoende voor fotodetectie en beeld-sensing toepassingen.

Om een ​​hoge fotodetectie te garanderen en stroomlekken in de apparaten te verminderen, ze vormden QD-lagen met hoge resolutie met behulp van een CMOS-compatibel, direct fotopatroonproces. Met behulp van field-enhanced scanning elektronenmicroscopie (FESEM) en atomic force microscopie (AFM) beelden, de onderzoekers bevestigden duidelijke patronen van QD-lagen met een dikte van ongeveer 17 nm. Na het ontwerpen van een full-color (UV-naar-IR) ladingsintegratiecircuit (CIC) met direct fotopatroon QD-lagen, ze gebruikten een a-IGZO-laag als kanaalmateriaal om de geïntegreerde schakelingen te besturen of te schakelen en te discrimineren. De experimentele opstelling maakte in-pixelversterking mogelijk, full-color en UV-detectie.

Om mogelijke toepassingen van het huidachtige full-color fotodetectorplatform te demonstreren, Kim et al. bereidde een 10 x 10 gemultiplexte QD/a-IGZO-fotodetectorarray op een PI (polyimide) substraat en verwierf een grote hoeveelheid golflengte-afhankelijke gegevens. Het team 2-D bracht de uitgangsstroom in kaart die werd verkregen uit de fotodetectorarray onder verlichting van vijf verschillende lichtbronnen (infrarood, rood, groente, blauw en UV), waar de meeste pixels een ruimtelijk uniforme stroomverdeling vertoonden naar de overeenkomstige lichtbronnen. Kim et al. gebruikte het apparaat vervolgens voor biologische toepassingen en bewaakte de zuurstofverzadigingsniveaus van het bloed in de wijsvinger door verschillende golflengten van licht door de capillaire bloedvaten te meten. De resulterende 2D-kaartgegevens voor verschillende lichtbronnen vertoonden een specifieke transmissie, afhankelijk van de golflengte. De resultaten kunnen leiden tot kritische vooruitgang van betrouwbaardere en nauwkeurigere diagnostiek in gezondheidsbewakingssystemen.

Op deze manier, Jaehyun Kim en collega's presenteerden bij lage temperatuur vervaardigde, diverse op QD gebaseerde fototransistoren en hun in-pixel CIC-arrays om beter te presteren dan conventionele op fotodiode gebaseerde sensoren. De apparaten losten de bestaande beperkingen van ultramoderne flexibele fotodetectoren op voor full-color fotodetectie van UV tot IR voor zeer betrouwbare, 2-D fotodetectie. Het golflengte-onderscheidende potentieel van het apparaat kan nieuwe perspectieven openen voor fotodetecterende apparaten en elektronica. evenzo, de lichtgevoelige en hooggeleidende chelerende chalcometallaatliganden brachten fotogegenereerde elektronen perfect over naar een actieve halfgeleiderlaag, zonder elektronenopsluiting voor extreem hoge lichtgevoeligheid en fotodetectie. De platforms kunnen worden ingebed om een ​​gemakkelijke route te ontwikkelen voor een verscheidenheid aan bio-imaging-toepassingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk