Lichtbronnen en detectoren zijn belangrijke componenten van talloze technologische apparaten die tegenwoordig op de markt zijn. Bijvoorbeeld, light emitting diodes (LED's) worden vaak gebruikt als lichtbron in displays en andere technologieën, terwijl fotodiodes worden gebruikt om licht in sensoren te detecteren, hulpmiddelen voor beeldvorming en glasvezelcommunicatie.

Bestaande lichtbronnen en detectoren bestaan ​​uit twee verschillende soorten apparaten met duidelijk verschillende functies. Een apparaat ontwikkelen dat zowel licht kan genereren als detecteren, echter, zou het ontwerp van kleinere en slimmere technologieën mogelijk maken.

Onderzoekers van de Universiteit van Linköping in Zweden, De Universiteit van Shenzhen en verschillende andere universiteiten in China hebben onlangs een efficiënte diode gefabriceerd die zowel licht kan uitzenden als detecteren. Dit nieuwe apparaat, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Elektronica , werd gebouwd met behulp van een in de oplossing verwerkt perovskietmateriaal.

"Als we een apparaat met twee functies hadden dat efficiënt licht kon uitstralen en detecteren, we zouden een enkel apparaat kunnen gebruiken om het werk te doen dat normaal gesproken twee conventionele apparaten vereist, "Feng Gao, hoofdonderzoeker van het onderzoek, vertelde TechXplore. "Dit kan niet alleen de kosten van apparaten verminderen, maar vergemakkelijken ook de integratie van lichtbronnen en detectoren in opto-elektronische chips."

In een eerdere studie die in Natuurfotonica , Gao en zijn collega's identificeerden een mechanisme dat bekend staat als het 'passivatie-effect' in perovskietfilms, dat zijn opkomende materialen die worden gebruikt om LED's te bouwen. Vervolgens ontwierpen ze een efficiënte passivator (d.w.z. een stof die de defecten in halfgeleiders kan herstellen) en gebruikte het om de kwantumefficiëntie van nabij-infraroodperovskiet-LED's te verbeteren tot meer dan 21%.

"Op basis van dit eerdere werk, we hebben de lichtdetectiefunctie van deze apparaten verder bestudeerd en ontdekten dat ze ook opmerkelijke fotodetectieprestaties vertonen, "Chunxiong Bao, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "In ons recente onderzoek we hebben onze inspanningen gericht op het gelijktijdig verbeteren van de lichtemitterende en detectieprestaties van op perovskiet gebaseerde diodes, het aantonen van hun haalbaarheid als efficiënte lichtemitterende en detectie 'twee-in-één' apparaten."

Het perovskietmateriaal dat Gao, Bao en hun collega's die hun diode bouwden, hebben verschillende unieke foto-elektrische eigenschappen. Naast een hoge fotoluminescentie kwantumefficiëntie (PLQE), wat ideaal is voor de ontwikkeling van high-performance LED's, het materiaal heeft een hoge absorptiecoëfficiënt, fotodetectie inschakelen.

Het materiaal vertoont ook een hoge dragermobiliteit en kan dus worden gebruikt om films van verschillende diktes te vervaardigen. Eindelijk, de onderzoekers observeerden een grote overlap tussen de absorptie- en fotoluminescentiespectra van de perovskiet. Dit betekent dat het materiaal ook zelf het uitgestraalde licht kan absorberen.

gecombineerd, al deze eigenschappen maken het mogelijk om hoogwaardige LED's en fotodetectoren te creëren, gebaseerd op dezelfde vlakke verbindingsstructuur. Met andere woorden, deze eigenschappen zijn wat uiteindelijk Gao mogelijk maakte, Bao en hun collega's om één apparaat te maken dat zowel licht kan uitzenden als detecteren.

De diode die ze ontwikkelden, bleek lichtemissie te bereiken met een externe kwantumefficiëntie van meer dan 21% en een lichtdetectielimiet op de subpicowatt-schaal. Het kan ook werksnelheden van tientallen megahertz bereiken, zowel bij het uitzenden als bij het detecteren van licht, opmerkelijk goed presteren op elke functie. Bovendien, wanneer het wordt gebruikt als een detector, het apparaat is ook gevoelig voor het door zichzelf uitgestraalde licht.

"Het is een grote uitdaging voor conventionele halfgeleiders die in een oplossing zijn verwerkt om te gebruiken als high-performance dual-functioneel apparaat, " legde Bao uit. "Neem als voorbeeld organische halfgeleiders en colloïdale kwantumdots. Organische halfgeleiders vertonen altijd een zeer kleine overlap tussen de absorptie- en fotoluminescentiespectra, dus ze vertonen een zwakke absorptie voor licht dat door hetzelfde materiaal wordt uitgezonden, terwijl colloïdale kwantumdot-LED's altijd gebaseerd zijn op een zeer dunne kwantumdotfilm vanwege de zeer lage transporteigenschap van de drager, dus hun lichtabsorptie is erg zwak."

De onderzoekers zijn een van de eersten die een op perovskiet gebaseerde diode hebben geïntroduceerd die tegelijkertijd kan werken als een lichtemissie- en een lichtdetectieapparaat, schakelen tussen deze functies en toch opmerkelijk goed presteren in beide. In de toekomst, het apparaat dat ze ontwikkelden, zou kunnen worden gebruikt om kleinere elektronica te maken die zowel als lichtbron als als detector kan worden gebruikt. In hun krant Gao, Bao en hun collega's schetsen twee mogelijke toepassingen voor de diode, laat zien hoe het kan worden gebruikt om een ​​monolithische hartslagsensor te bouwen en in bidirectionele optische communicatie.

"We zijn nu van plan om de reactiesnelheid en levensduur van het apparaat verder te verbeteren en de detectieprestaties van perovskiet-LED's voor zichtbaar licht te bestuderen om de toepassing uit te breiden tot het bereik van zichtbaar licht, ' zei Bao.

© 2020 Wetenschap X Netwerk