Verbindingen tussen de twee verschillende materialen, enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT's) en perovskiet (CsPbBr₃ ) kwantumdots (QD's) - een mechanisch stabiel en eenvoudig aan te passen fotovoltaïsch materiaal dat een elektrische stroom uit zonlicht creëert wanneer het wordt gecombineerd met een ander materiaal, zoals SWCNT's - vormen halfgeleider-heterojuncties die uitzonderlijk goed werken als fotodetector.

Recent onderzoek suggereert dat het vergroten van de diameter van SWCNT's in SWCNT/perovskiet QD heterojuncties de opto-elektronische prestaties, of het vermogen om licht in elektriciteit om te zetten, van de heterojunctie tussen de twee materialen verbetert.

Een team van wetenschappers testte systematisch de prestatie-effecten van SWCNT's met verschillende diameters, een enkele laag koolstofatomen die een hexagonaal rooster vormen, opgerold in een naadloze cilinder, met verschillende bandafstanden, of de hoeveelheid energie die een elektron nodig heeft om elektrische stroom te geleiden , in heterojunctiefilms met perovskiet-QD's.

Hun onderzoek gaf aan dat het vergroten van de diameter van SWCNT's de responsiviteit, detectiviteit en responstijd van dit type heterojunctiefilm verbeterde. Dit effect kan worden veroorzaakt door de verbeterde scheiding en het transport van foto-gegenereerde excitonen, een energiedragend, neutraal geladen elektron dat zich combineert met een positief elektronengat, in de film.

Het team publiceerde de resultaten van hun onderzoek in Nano Research .

"De uitlijning tussen de bandafstanden van SWCNT's en QD's bepaalt de scheiding van de foto-gegenereerde excitonen op de heterogene grensvlakken, terwijl SWCNT's met verschillende diameters verschillende dragercapaciteit en mobiliteit vertonen", zegt Huaping Liu, de hoofdonderzoeker van de studie en professor aan het Instituut. of natuurkunde aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing, China.

"Deze kenmerken bepalen de foto-elektronische prestaties van SWCNT's/perovskiet QD's heterojunctiefilms, waardoor het... belangrijk is om systematisch het diametereffect van SWCNT's met verschillende bandafstanden op de fotodetectieprestaties van deze films te bestuderen."

Het team onderzocht de verschillen in fotodetectorprestaties voor SWCNT-diameters tussen 1,0 en 1,4 nm. Kenmerken van elke diameter werden beoordeeld door de SWCNT/perovskiet QD-films bloot te stellen aan 410 nm licht bij verschillende intensiteiten en door de stroom-spanningscurven van elke film te meten. Deze gegevens kunnen vervolgens worden gebruikt om de fotostroom, fotoresponsiviteit en detectiviteit bij elke nanobuisdiameter te bepalen.

De bandafstand van SWCNT's is ruwweg omgekeerd evenredig met de diameter van de nanobuis. Toen de SWCNT-diameter werd vergroot van 1,0 nm naar 1,4 nm, observeerde het onderzoeksteam een ​​toename van de responsiviteit met ongeveer één orde van grootte, een vijfvoudige toename van de detectiviteit en een viervoudige toename van de responssnelheid. De SWCNT's met een grotere diameter die in het onderzoek werden gemeten, verbeterden de dragercapaciteit en mobiliteit om de filmprestaties te verbeteren.

"De grote verbetering in de foto-elektrische prestaties in films met SWCNT's met een grotere diameter wordt toegeschreven aan de toenemende ingebouwde elektrische velden op de heterojunctie-interface van s-SWCNT's halfgeleidende SWCNT's/QD's..., die de scheiding van gatendragers van foto-gegenereerde excitonen naar s aanstuurt -SWCNT's en snel transport in SWCNT-films", zegt Liu.

Fotodetectoren van de volgende generatie, gemaakt van SWCNT's en QD's, zijn nodig om de materiaalkosten, het energieverbruik en de kwetsbaarheid van dit soort detectoren in toekomstige elektronica te verminderen. Interessant is dat SWCNT-monolaagfilms alleen zeer inefficiënt zijn in het detecteren van licht, en dat perovskiet-QD-films gevoelig zijn voor lage dragermobiliteit, responsiviteit en detectiviteit. Daarentegen verbeteren perovskiet-kwantumdotfilms, wanneer ze worden gecombineerd met SWCNT-monolagen, de optische absorptie als een dunne, dubbellaagse film met verbeterde responsiviteit.

De resultaten van deze studie zullen andere wetenschappers helpen bij het ontwerp en de fabricage van nieuwe hoogwaardige fotodetectoren die nodig zijn voor optische communicatie, draagbare technologieën en andere toepassingen in de geneeskunde en kunstmatige intelligentie. Het team van Liu is van plan deze experimentele bevindingen specifiek te gebruiken bij het ontwerp van geoptimaliseerde fotodetectoren voor gebruik in zeer gevoelige kunstmatige zichtsystemen.

Meer informatie: Yayang Yu et al., Diameterafhankelijke foto-elektrische prestaties van halfgeleidende koolstofnanobuisjes/perovskiet-heterojuncties, Nanoonderzoek (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5942-1

Journaalinformatie: Nano-onderzoek

Aangeboden door Tsinghua University Press