Digitale camera's en vele andere elektronische apparaten hebben lichtgevoelige sensoren nodig. Om tegemoet te komen aan de toenemende vraag naar dit soort opto-elektronische componenten, industrie is op zoek naar nieuwe halfgeleidermaterialen. Ze worden niet alleen verondersteld een breed bereik aan golflengten te dekken, maar moeten ook goedkoop zijn. Een hybride materiaal, ontwikkeld in Dresden, voldoet aan beide eisen. Himani Arora, een natuurkunde Ph.D. student aan Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), toonde aan dat dit metaal-organische raamwerk kan worden gebruikt als een breedband fotodetector. Omdat het geen kostbare grondstoffen bevat, het kan goedkoop in bulk worden geproduceerd.

In de afgelopen twintig jaar, metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn een begeerd materiaalsysteem geworden. Tot dusver, deze zeer poreuze stoffen, waarvan tot 90 procent uit lege ruimte bestaat, zijn grotendeels gebruikt om gassen op te slaan, voor katalyse of om medicijnen langzaam in het menselijk lichaam af te geven. "De metaal-organische raamverbinding ontwikkeld aan de TU Dresden bestaat uit een organisch materiaal geïntegreerd met ijzerionen, " legt Dr. Artur Erbe uit, hoofd van de groep "Transport in Nanostructures" bij HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Het bijzondere is dat het raamwerk boven elkaar liggende lagen vormt met halfgeleidende eigenschappen, wat het potentieel interessant maakt voor opto-elektronische toepassingen."

De groep kwam op het idee om de nieuwe halfgeleidende tweedimensionale MOF als fotodetector te gebruiken. Om het verder uit te werken, Himani Arora onderzocht de elektronische eigenschappen van de halfgeleider. Ze onderzocht, onder andere, in hoeverre de lichtgevoeligheid afhankelijk was van temperatuur en golflengte - en kwam tot een veelbelovende conclusie:van 400 naar 1, 575 nanometer, de halfgeleider kon een breed scala aan lichtgolflengten detecteren. Het stralingsspectrum gaat dus van ultraviolet naar bijna-infrarood. "Dit is de eerste keer dat we zo'n breedbandige fotodetectie hebben bewezen voor een fotodetector die volledig is gebaseerd op MOF-lagen, " merkt de promovendus op. "Dit zijn ideale eigenschappen om het materiaal als actief element in opto-elektronische componenten te gebruiken."

Kleine bandgap zorgt voor efficiëntie

Het spectrum van golflengten dat een halfgeleidend materiaal kan bedekken en omzetten in elektrische signalen, hangt in wezen af ​​van de zogenaamde bandgap. Experts gebruiken deze term om de energetische afstand tussen de valentieband en de geleidingsband van een vaste stof materiaal te beschrijven. In typische halfgeleiders, de valentieband is helemaal vol, zodat de elektronen niet kunnen bewegen. De geleidingsband, anderzijds, is grotendeels leeg, zodat de elektronen vrij kunnen bewegen en de stroom kunnen beïnvloeden. Hoewel de bandgap in isolatoren zo groot is dat de elektronen niet van de volantband naar de geleidingsband kunnen springen, metalen geleiders hebben dergelijke openingen niet. De bandgap van een halfgeleider is net groot genoeg om de elektronen met behulp van de lichtgolven naar het hogere energieniveau van de geleidingsband te brengen. Hoe kleiner de bandgap, hoe kleiner de energie die nodig is om een ​​elektron op te wekken. "Omdat de bandgap in het materiaal dat we hebben verkend erg klein is, er is maar heel weinig lichtenergie nodig om de elektriciteit op te wekken, "Himani Arora legt uit. "Dit is de reden voor het grote bereik van het detecteerbare spectrum."

Door de detector af te koelen tot lagere temperaturen, de prestatie kan nog verder worden verbeterd doordat de thermische excitatie van de elektronen wordt onderdrukt. Andere verbeteringen zijn onder meer het optimaliseren van de configuratie van de componenten, het produceren van betrouwbaardere contacten en het verder ontwikkelen van het materiaal. De resultaten suggereren dat de MOF-gebaseerde fotodetectoren een mooie toekomst zullen hebben. Dankzij hun elektronische eigenschappen en goedkope fabricage, MOF-lagen zijn veelbelovende kandidaten voor een groot aantal opto-elektronische toepassingen.

"De volgende stap is het opschalen van de laagdikte, " zegt Arthur Erbe, ergens naar uitkijken. "In de studie, MOF-films van 1,7 micrometer werden gebruikt om de fotodetector te bouwen. Om ze in componenten te integreren, ze moeten aanzienlijk dunner zijn." Indien mogelijk, het doel is om de boven elkaar liggende lagen terug te brengen tot 70 nanometer, dat is, 25 keer kleiner dan hun grootte. Tot deze laagdikte moet het materiaal vergelijkbare eigenschappen vertonen. Als de groep kan bewijzen dat de functionaliteit in deze aanzienlijk dunnere lagen hetzelfde blijft, ze kunnen het vervolgens ontwikkelen tot het productiestadium.