Onzichtbaar voor onze ogen kan kortegolf-infraroodlicht (SWIR) ongekende betrouwbaarheid, functionaliteit en prestaties mogelijk maken in grootschalige, computervisie-eerste toepassingen in servicerobotica, auto- en consumentenelektronicamarkten.

Beeldsensoren met SWIR-gevoeligheid kunnen betrouwbaar werken onder ongunstige omstandigheden zoals fel zonlicht, mist, nevel en rook. Bovendien biedt het SWIR-assortiment oogveilige verlichtingsbronnen en opent het de mogelijkheid om materiaaleigenschappen te detecteren door middel van moleculaire beeldvorming.

Op colloïdale kwantumdots (CQD) gebaseerde beeldsensortechnologie biedt een veelbelovend technologieplatform om compatibele beeldsensoren met een hoog volume in de SWIR mogelijk te maken.

CQD's, nanometrische halfgeleiderkristallen, zijn een in oplossingen verwerkt materiaalplatform dat kan worden geïntegreerd met CMOS en toegang geeft tot het SWIR-assortiment. Er bestaat echter een fundamenteel obstakel bij het vertalen van SWIR-gevoelige kwantumdots naar belangrijke technologie voor toepassingen op de massamarkt, omdat ze vaak zware metalen zoals lood of kwik bevatten (IV-VI Pb, Hg-chalcogenide halfgeleiders).

Deze materialen zijn onderworpen aan de regelgeving van de Restriction of Hazardous Substances (RoHS), een Europese richtlijn die het gebruik ervan in commerciële elektronische consumententoepassingen reguleert.

In een onderzoek gepubliceerd in Nature Photonics hebben ICFO-onderzoekers Yongjie Wang, Lucheng Peng en Aditya Malla onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Gerasimos Konstantatos, in samenwerking met onderzoekers Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black en Stijn Goossens van Qurv, gerapporteerd over de ontwikkeling van hoog- hoogwaardige infraroodfotodetectoren en een SWIR-beeldsensor die werkt bij kamertemperatuur op basis van niet-giftige colloïdale kwantumdots.

De studie beschrijft een nieuwe methode voor het synthetiseren van op maat afstembare, fosfinevrije zilvertelluride (Ag₂ Te) kwantumdots met behoud van de voordelige eigenschappen van traditionele tegenhangers van zware metalen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de introductie van SWIR colloïdale kwantumdottechnologie in markten met grote volumes.

Tijdens het onderzoek naar de synthese van zilverbismuttelluride (AgBiTe₂ ) nanokristallen om de spectrale dekking van de AsBiS₂ uit te breiden technologie om de prestaties van fotovoltaïsche apparaten te verbeteren, verkregen de onderzoekers zilvertelluride (Ag₂ Te) als bijproduct.

Dit materiaal vertoonde een sterke en afstembare kwantum-begrensde absorptie, vergelijkbaar met kwantumdots. Ze realiseerden zich het potentieel ervan voor SWIR-fotodetectoren en beeldsensoren en richtten hun inspanningen op het bereiken en controleren van een nieuw proces om fosfinevrije versies van zilvertelluride-kwantumstippen te synthetiseren, aangezien fosfine een schadelijke invloed bleek te hebben op de opto-elektronische eigenschappen van de kwantumstippen. relevant voor fotodetectie.

In hun nieuwe synthetische methode gebruikte het team verschillende fosfinevrije complexen, zoals tellurium en zilvervoorlopers, waardoor ze kwantumdots konden verkrijgen met een goed gecontroleerde grootteverdeling en excitonische pieken over een zeer breed bereik van het spectrum.

Na ze te hebben gefabriceerd en gekarakteriseerd, vertoonden de nieuw gesynthetiseerde kwantumstippen opmerkelijke prestaties, met duidelijke excitonische pieken boven 1500 nm – een ongekende prestatie vergeleken met eerdere op fosfine gebaseerde technieken voor de fabricage van kwantumstippen.

De onderzoekers besloten vervolgens de verkregen fosfinevrije kwantumdots te implementeren om een ​​eenvoudige fotodetector op laboratoriumschaal te fabriceren op het gebruikelijke standaard ITO (Indium Tin Oxide)-gecoate glassubstraat om de apparaten te karakteriseren en hun eigenschappen te meten.

"Deze apparaten op laboratoriumschaal worden bediend met schijnend licht vanaf de onderkant. Bij CMOS-geïntegreerde CQD-stacks komt het licht van de bovenkant, terwijl het onderste deel van het apparaat wordt ingenomen door de CMOS-elektronica", zegt Yongjie Wang, postdoc-onderzoeker bij ICFO en eerste auteur van het onderzoek. "De eerste uitdaging die we moesten overwinnen was dus het terugdraaien van de instellingen van het apparaat. Een proces dat in theorie eenvoudig klinkt, maar in werkelijkheid een uitdagende taak bleek te zijn."

Aanvankelijk vertoonde de fotodiode een lage prestatie bij het detecteren van SWIR-licht, wat aanleiding gaf tot een herontwerp waarin een bufferlaag was opgenomen. Deze aanpassing verbeterde de prestaties van de fotodetector aanzienlijk, wat resulteerde in een SWIR-fotodiode met een spectraal bereik van 350 nm tot 1.600 nm, een lineair dynamisch bereik van meer dan 118 dB, een -3 dB bandbreedte van meer dan 110 kHz en een detectievermogen bij kamertemperatuur in de orde van 10 ¹² Jones.

"Voor zover wij weten, hebben de hier gerapporteerde fotodiodes voor het eerst in oplossingen verwerkte, niet-giftige kortegolf-infraroodfotodiodes gerealiseerd met verdiensten die vergelijkbaar zijn met die van andere zware metalen bevattende tegenhangers", zegt Gerasimos Konstantatos, ICREA-prof bij ICFO en hoofdauteur van het onderzoek vermeldt.

"Deze resultaten ondersteunen verder het feit dat Ag₂ De kwantumstippen komen naar voren als een veelbelovend RoHS-conform materiaal voor goedkope, krachtige SWIR-fotodetectortoepassingen."

Met de succesvolle ontwikkeling van deze zware metaalvrije, op kwantumdots gebaseerde fotodetector gingen de onderzoekers verder en gingen samenwerken met Qurv, een ICFO-spin-off, om het potentieel ervan aan te tonen door een SWIR-beeldsensor als casestudy te construeren.

Het team integreerde de nieuwe fotodiode met een CMOS-gebaseerde uitlees-geïntegreerde schakeling (ROIC) focal plane array (FPA) die voor het eerst een proof-of-concept, niet-giftige, op kamertemperatuur werkende SWIR quantum dot-gebaseerde beeldsensor demonstreert .

De auteurs van het onderzoek hebben de imager getest om de werking ervan in de SWIR te bewijzen door verschillende foto's van een doelobject te maken. Ze waren met name in staat de transmissie van siliciumwafels onder het SWIR-licht in beeld te brengen en de inhoud van plastic flessen te visualiseren die ondoorzichtig waren in het zichtbare lichtbereik.

"Toegang tot de SWIR met een goedkope technologie voor consumentenelektronica zal het potentieel van dit spectrale bereik ontketenen met een enorm scala aan toepassingen, waaronder verbeterde zichtsystemen voor de auto-industrie (auto's) die zicht en rijden onder ongunstige weersomstandigheden mogelijk maken", zegt Gerasimos Konstantatos .

"De SWIR-band van ongeveer 1,35–1,40 µm kan een oogveilig venster bieden, vrij van achtergrondlicht onder dag-/nachtomstandigheden, waardoor langeafstandslichtdetectie en -bereik (LiDAR), driedimensionale beeldvorming voor de automobielsector, verder wordt mogelijk gemaakt reality- en virtual reality-toepassingen."

Nu willen de onderzoekers de prestaties van fotodiodes verbeteren door de stapel lagen waaruit het fotodetectorapparaat bestaat, te engineeren. Ze willen ook nieuwe oppervlaktechemie voor de Ag₂ onderzoeken De kwantumstippen om de prestaties en de thermische en omgevingsstabiliteit van het materiaal op weg naar de markt te verbeteren.

Meer informatie: Wang, Y., Peng, L., Schreier, J. et al. Zilvertelluride colloïdale kwantumdot-infraroodfotodetectoren en beeldsensoren. Natuurfotonica . (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01345-3

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Geleverd door ICFO