Nye højeffektive bly-binære perovskit-fotodetektorer med hurtige svartider

Forskere ved University of Toronto og Barcelona Institute of Science and Technology har for nylig skabt nye løsningsbehandlede perovskit-fotodetektorer, der udviser bemærkelsesværdig effektivitet og responstider. Disse fotodetektorer, introduceret i et papir offentliggjort i Nature Electronics , har et unikt design, der forhindrer dannelsen af ​​defekter mellem dets forskellige lag.

"Der er en voksende interesse for 3D-områdebilleddannelse til autonom kørsel og forbrugerelektronik," siger Edward H. Sargent til TechXplore. "Vi har arbejdet som et team i årevis på at finde nye materialer, der muliggør lysregistreringsteknologier såsom næste generations billedsensorer og stræber efter at tage disse i en retning, der kan have en kommerciel og samfundsmæssig indvirkning."

Fotodetektorer, sensorenheder, der detekterer eller reagerer på lys, kan have adskillige meget værdifulde applikationer. For eksempel kan de integreres i robotsystemer, autonome køretøjer, forbrugerelektronik, miljøsensorteknologi, fiberoptiske kommunikationssystemer og sikkerhedssystemer.

"I disse applikationer kræves hurtig fotodetektion i bølgelængdeområder ud over menneskets syn," sagde Amin Morteza Najarian. "Silicon, den gamle tilgang - og ideel til elektronisk udlæsning - forener ikke i sig selv høj effektivitet med høj hastighed, som et resultat af dens indirekte båndgab, en egenskab ved siliciums båndstruktur, der producerer svag absorption (derfor et behov for tyk silicium) i det nære infrarøde."

I en række indledende beregningsstudier identificerede Sargent og hans team en binær perovskit med en høj bærermobilitet og en høj absorptionskoefficient, der kunne konkurrere med aktuelt anvendte materialer med hensyn til både effektivitet og hastighed. Fotodetektoren introduceret i deres seneste papir er baseret på dette nyligt identificerede, aktive materiale.

"Når lys absorberes af det aktive perovskitlag, ekstraheres de fotogenererede elektroner og huller gennem elektron- og hultransportlag," sagde medforfatter Maral Vafaie. "For at opnå hurtige svartider skal disse ladebærere bevæge sig hurtigt hen over enhederne, inklusive transportlagene. Nikkeloxid (NiO_x ) er kendetegnet ved høj krystallinitet og mobilitet, hvilket gør det til en ideel mulighed for hultransportlag (HTL)."

Da de først begyndte at teste deres enheder, fandt forskerne ud af, at der var en kemisk uforenelighed mellem den etablerede antioxidationsstrategi for PbSn-perovskitter og NiO_x lag. De udtænkte således en metode til at fjerne ilt fra enheden, konvertere uønskede tinarter og sikre, at ingen skadelige rester efterlades.

I de indledende evalueringer opnåede fotodetektorerne skabt af Sargent, Najarian, Vafaie og deres kolleger meget lovende resultater, både med hensyn til kvanteeffektivitet og responstider. Holdet viste også, at deres enheder kan løse sub-millimeter afstande med en typisk 50 µm standardafvigelse.

"Vi demonstrerede, at fotodetektorer fremstillet ved hjælp af binære perovskitter konverterer nær infrarødt lys til elektrisk signal med effektivitet bedre end 85% med en responstid hurtigere end en brøkdel af nanosekund," sagde Sargent og Morteza Najarian. "Dette er en forbedring på 100 gange sammenlignet med tidligere rapporterede løsningsbehandlede fotodetektorer. Vi fremviser disse præstationsmålinger i rumlig opløsning af submillimeterafstande, dvs. giver dybdeopløsning."

I fremtiden kan de nye løsningsbehandlede perovskit-fotodetektorer skabt af Sargent, Morteza Najarian og deres kolleger vise sig at være værdifulde til at skabe LiDAR-teknologi (dvs. værktøjer til at bestemme variable afstande mellem objekter) og sensorer til autonome køretøjer eller robotter. I mellemtiden planlægger forskerne at fortsætte med at søge efter fordelagtige materialer og designe nye komponenter til sensorteknologier.

"I lang rækkevidde lysdetektion og rækkevidde (LiDAR) applikationer, når kun en lille brøkdel af det spredte lys fra objekterne fotodetektoren," tilføjede Sargent og Morteza Najarian. "Hvis man skifter belysning og sansning til det kortbølgede infrarøde område (f.eks. 1550 nm), bliver en højere effekt af oplysende lys mulig uden at skabe øjensikkerhedsproblemer. Vi arbejder på næste generation af III-V halvledere med dette i tankerne." + Udforsk yderligere

Forskere designer meget følsomme, masseproducerbare organiske fotodetektorer

© 2022 Science X Network