In een onderzoek gepubliceerd in ACS Nano beschrijven onderzoekers van ICFO Lucheng Peng, Yongjie Wang, Yurong Ren, Zhuoran Wang, onder leiding van prof. ICREA bij ICFO, Gerasimos Konstantatos, in samenwerking met Pengfei Cao, van Erns Ruska Center for Microscopie en Spectroscopie met Elektronen, een nieuwe methode om te synthetiseren arseenvrije InSb CQD's met toegang tot het SWIR-assortiment.

Hun aanpak omvat het ontwerp van een InSb/InP kern-schilstructuur van de gesynthetiseerde kwantumdots die worden gebruikt om een ​​snel reagerende en zeer gevoelige SWIR-fotodetector te fabriceren.

In de nieuwe studie hebben de onderzoekers een nieuw synthetisch proces ontwikkeld om hoogwaardige breedspectraal afstembare InSb-kwantumstippen met uniforme grootte te produceren door gebruik te maken van in de handel verkrijgbare chemische precursoren, waarmee enkele van de hindernissen werden overwonnen waar eerdere strategieën mee te kampen hadden, waaronder een uitdagend syntheseproces. en hoge oppervlaktedefectdichtheid.

In hun onderzoek hanteerden de onderzoekers de ‘single-source’-aanpak, waarbij gebruik werd gemaakt van een continu injectieproces van precursoren, in plaats van een optie voor warme injectie. Deze strategie was de sleutel tot het verkrijgen van InSb CQD met een goed gecontroleerde grootteverdeling en duidelijke absorptie over een zeer breed bereik van het spectrum (900 nm tot 1.750 nm).

Door gebruik te maken van een reeks reactietemperaturen variërend van 220ºC tot 250ºC, waren ze in staat de posities van de punten in de resulterende, in oplossing verwerkte dunne film te controleren. "De resulterende spectrale afstembaarheid van nabij-infrarood tot kortegolf-infrarood, dat wil zeggen van 900 nm tot 1.750 nm, is de grootste die tot nu toe is gerapporteerd voor InSb CQD", zeggen de onderzoekers.

Ze observeerden de verwerkte CQD-monsters met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-techniek en bevestigden dat de stippen een gemiddelde grootte hadden van 2,4 nm, 3,0 nm, 3,5 nm, 5,8 nm en 7,0 nm, waardoor de absorptie van verschillende golflengten mogelijk was.

De onderzoekers karakteriseerden ook het oppervlak van de InSb CQD's, omdat bekend is dat dit cruciaal is voor de opto-elektronische eigenschappen van het CQD-materiaal. Ze gebruikten röntgenfoto-elektronenspectroscopie om de oxidatietoestanden van Sb te onderzoeken die verband houden met de ongepassiveerde Sb-bungelende bindingen aan het oppervlak en ze konden de vorming van Sb-oxide op het onbeschermde oppervlak bevestigen.

De volgende stap in hun onderzoek was het ontwikkelen van een passivatiestrategie om de verkregen InSb CQD's te bedekken, waardoor een omhulsel ontstond om de QCD's tegen oxidatie te beschermen. Het oppervlak van InSb QCD's werd behandeld met indiumtrichloride (InCl₃ ). Dit beschermde de hangende bindingen van Sb aan het oppervlak door de defecten te verminderen en tegelijkertijd de colloïdale stabiliteit van de CQD's te verbeteren in de volgende stappen van het zuiveringsproces.

Vervolgens groeiden de onderzoekers een indiumfosfide (InP) beschermingsschaal met dunne dikte over de gezuiverde InSb CQD. Ze gebruikten indiumoleaat en fosfinesilylamide als voorlopers om de schaal te genereren. Dit veroorzaakte een significante roodverschuiving in het absorptiespectrum van de InSb CQD's. De kern-schilstructuur van InSb/InP werd later bevestigd door de fotoluminescentiespectra-analyse.

"InSb/InP kern-schaalstructuur betekent het laten groeien van een ander materiaal (in dit geval InP) op het oppervlak van het ongerepte materiaal (in dit geval InSb). In vergelijking met InSb is InP een materiaal met een grotere bandafstand dat de oppervlaktevallen van InSb die schadelijk zijn in opto-elektronische apparaten. Bovendien is het Sb-element behoorlijk gevoelig voor zuurstof, dus de kern-schaalstructuur kan de luchtstabiliteit van het materiaal grotendeels verbeteren”, legt Lucheng Peng, ICFO-onderzoeker en eerste auteur van het rapport, uit. studeren.

Het vervaardigen van snellere en gevoeligere fotodetectoren

Toen deze eerste stap eenmaal was gezet, gingen de onderzoekers verder met het gebruik van de geoptimaliseerde InSb/InP core-shell CQD's om een ​​SWIR-fotodetector met lage temperatuur en hoge snelheid te fabriceren. Het lichtsensorapparaat werd gevormd door verschillende op elkaar gestapelde lagen:een basis van indiumtinoxide (ITO), een elektronenoverdrachtslaag (ETL) gemaakt van titaniumdioxide (TiO₂ ), de dunne laag met daarin de InSb/InP CQD's en een laatste toplaag van goud.

Ze wilden een fotodetector verkrijgen met een snelle responstijd voor gebruik in toepassingen die verder gaan dan videoframesnelheden, dus gebruikten ze TiO₂ als een ETL vanwege de fotochemische stabiliteit ervan.

De respons van de gefabriceerde lichtsensor werd vervolgens gemeten. Zoals de auteurs schreven, vertoont de fotodetector "opmerkelijke kenmerken, waaronder een breed lineair dynamisch bereik van meer dan 128 dB, een maximale externe kwantumefficiëntie (EQE) van 25% bij 1240 nm (en 12% bij 1420 nm), een snelle fotoresponstijd van 70 ns , en een specifieke detectiviteit van maximaal 4,4 × 10 ¹¹ Jones."

Zoals de onderzoekers konden verifiëren, bleek het apparaat zonder enige inkapseling zeer goed bestand tegen atmosferische omstandigheden. Na twee maanden blootstelling aan de omgevingsomgeving behield de fotodetector zijn eigenschappen. Na 90 uur werd de stabiliteit van het apparaat ook gecontroleerd wanneer het in de open lucht functioneerde en bleek het apparaat extreem stabiel te zijn.

"Dit is de beste oplossingsverwerkte CQD SWIR-fotodetector op basis van InSb tot nu toe, gezien zowel de prestaties als de stabiliteit, met verdiensten die lichtsensoren met een hoge framesnelheid mogelijk kunnen maken voor machinevisie, gated imaging en 3D-detectietoepassingen", zegt ICREA Prof. bij ICFO Gerasimos Konstantatos.

"De huidige studie toont niet alleen het enorme potentieel van InSb CQD's aan als een actief materiaal dat vrij is van zware metalen voor gebruik in SWIR-fotodetectoren, maar het opent ook de deur voor toekomstige ontwikkelingen in colloïdaal InSb, waarbij gebruik wordt gemaakt van natte chemische methoden voor de vervaardiging van hoogwaardige het uitvoeren van elektronische of opto-elektronische apparaten", besluit Konstantatos.

Het team werkt nu aan hoe de donkerstroom verder kan worden verminderd en de kwantumefficiëntie van de op CQD's gebaseerde fotosensoren kan worden verhoogd. Om dit te doen moeten ze zich vooral richten op het verbeteren van de dragermobiliteit in de dunne films die de CQD's bevatten.

Door dit te bereiken kunnen ze een snellere responssnelheid voor de lichtsensor krijgen, met als doel verder te gaan dan de responssnelheid van 10 ns, zodat de technologie kan worden gebruikt in i-ToF (indirect-time-of-flight), wat nuttig is bij LIDAR en 3D-beeldvorming.

Meer informatie: Lucheng Peng et al, InSb/InP Core-Shell colloïdale kwantumdots voor gevoelige en snelle kortegolf-infraroodfotodetectoren, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12007

Journaalinformatie: ACS Nano

Geleverd door ICFO