En hudlignende 2-D pixeliseret fuld-farve quantum dot fotodetektor

Fuldfarve fotodetektorer, der kan konvertere lys til elektriske signaler uden sofistikerede farvefiltre og interferometrisk optik, har vundet stor opmærksomhed for udbredte applikationer. Imidlertid, tekniske udfordringer har forhindret forskere i at kombinere multispektrale halvledere og forbedre foton-overførselseffektivitet til at danne højtydende optoelektroniske enheder i praksis. I en nylig rapport om Videnskab fremskridt , Jaehyun Kim og et forskerhold inden for materialevidenskab og teknik i USA og Korea, beskrevet en lavtemperatur fremstillet (150 grader C), todimensionalt (2-D) pixeleret, fotodetektor i fuld farve ved hjælp af monolitisk integration af kvanteprikker koblet til amorfe indium-gallium-zinkoxid-halvledere.

De introducerede chelaterende chalcometallat (kombineret syntetisk metal/halvleder) ligander for med succes at realisere meget effektiv ladningsbærertransport og fotoresistorfri finmønsterning af 2-D lag. Bestanddelene viste ekstremt høj fotodetektivitet og fotoresponsivitet på tværs af en lang række bølgelængder. Baseret på disse teknikker, forskergruppen implementerede en bølgelængde, der kan skelnes af fototransistor kredsløb på en hudlignende blød platform som en alsidig og skalerbar tilgang til at danne brede spektrale billedsensorer og menneskorienterede biologiske enheder.

Materialeforskere sigter mod at udvikle sammenkoblede fuldfarve [strækker sig over det ultraviolette (UV) spektrum til infrarøde (IR)] fotodetektorer konstrueret på en hudlignende blød platform for at indsamle meningsfuld information fra menneskekroppen og det omgivende miljø. Sådanne teknologier vil have applikationer som neuromorfe billedsensorer, blød robotik og som biologiske sundhedsmonitorer. Sammenlignet med enkelt- eller smalbånds fotodetektion, 2-D fuld-farve fotodetektion på en enkelt platform er betydeligt fordelagtig for at opnå pålidelig og omfattende information. For at overvinde de eksisterende udfordringer ved 2-D-enhedsfremstilling i fuld farve, forskere havde tidligere udviklet fotodetektorer med nye fotosensermaterialer til at danne enhedsarkitekturer til bredbånds fotodetektion. Disse omfatter kolloide kvantepunkter, amorfe oxidhalvledere (AOS'er), organiske halvledere, perovskitmaterialer og 2-D-materialer, såsom grafen og overgangsmetal-dichalcogenider.

Selvom tidligere fremskridt er bemærkelsesværdige, de inkluderede typisk et smalbåndsabsorberende materiale med begrænset båndgap-afstemning og begrænset bølgelængde-diskrimineringsevne. For at overvinde grænser, kolloide kvantepunkter (QD'er) har fået opmærksomhed på grund af deres unikke optoelektroniske egenskaber, herunder indstilling af bred båndgap og øgede lysabsorptionskoefficienter. Men de rapporteres stadig sjældent under applikationer af meget følsom fotodetektion i fuld farve.

I den nye undersøgelse, Kim et al. udviklet en alsidig og skalerbar tilgang til et stort område for at udvide detekteringsbåndbredden for en fotodetektor fra UV til IR. Forskerne brugte monolitisk integration af QD'er med amorft indium-gallium-zinkoxid (a-IGZO) -baserede tyndfilmstransistorer (TFT'er) eller fototransistorer til at implementere et lavtemperatur 2-D i pixel ladning integrerende kredsløb (CIC) array til farvediskrimination. For at opnå ultrahøj fotodetektivitet, de introducerede en elektrisk højtydende og fældreduceret chelaterende chalcometallatligand (kombineret metallisk og halvlederligand) til QD'er (kvantepunkter). Kim et al. også opnået mønster i høj opløsning af flere QD-lag via direkte fotopattering og demonstreret deres pixeliserede fototransistorer til at danne en hudlignende, todimensionel fotodetektor i stand til positionsafhængig fotodetektion i fuld farve.

Forskergruppen gennemførte to strategier for at realisere fotodetektion i fuld farve med høj følsomhed; først designede de fotodetektorarkitekturen sammen med et in-pixel kredsløb for høj følsomhed. De kombinerede derefter QD'er med et a-IGZO (indium-gallium-zinkoxid) aktivt lag for fuld farve lysabsorbering og yderst effektiv ladningssamling. De konstruerede den fleksible QD/a-IGZO fotodetektor på et ultratyndt polyimid (PI) substrat. Brugte derefter tværsnitshøjopløsnings transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) til at bekræfte stabling af QD'er på a-IGZO-laget, ved siden af ​​ensartet fordeling af QD -laget. For at registrere hele farveområdet, teamet inkluderede en række forskellige QD-lag med forskellige båndgap på a-IGZO-laget.

Forskere havde tidligere integreret halvledende QD'er i flere optoelektroniske enheder, men ladningstransport forblev ofte begrænset af ligander, der forbinder QD'erne. For at forbedre enhedens overførselseffektivitet, de undersøgte ledning af ligander, herunder ethanedithiol, thiocyanat og atomiske ligander. Det nuværende forskergruppe valgte Sn ₂ S ₆ ^4- som det ideelle system fra en række chalcometallatligander og udvalgte SCN ^- ligandbaserede QD'er som reference-på grund af brede undersøgelser af deres høje ledningsevne og mobilitet i elektroniske enheder.

I den eksperimentelle opsætning, SCN ^- lukkede QD'er let nedbrydes for at danne svovlplaceringer på QD -overfladen, forhindrer effektiv ladningsoverførsel mellem QD'erne og a-IGZO-kanallaget. Forholdsvis bidentatet (donerer to elektronpar til et metalatom) Sn ₂ S ₆ ^4- ligander havde minimale svovlplaceringer på QD -overfladen. De fotogenererede elektroner fra Sn ₂ S ₆ ^4- afgrænsede QD'er blev derfor effektivt overført til ledningsbåndet i a-IGZO-kanallaget. Dette resulterede i en stor energibarriere og ladningssamling med minimal indfangning for, at de fotogenererede huller kunne forblive i QD'erne eller i nærheden af ​​QD/a-IGZO-grænsefladen.

Forskerne undersøgte optiske reaktionskarakteristika for QD/a-IGZO fototransistorer med en række spektroskopiske analyser, herunder grænsefladefælderelateret støjanalyse og scanning af fotokurrantmikroskopi (SPCM). De noterede SCN ^- cotede cadmiumselenid (CdSe) fototransistorer til at have cirka 10 ³ gange højere fældetæthed end Sn ₂ S ₆ ^4- afgrænsede CdSe QD/a-IGZO fototransistorer. Sn ₂ S ₆ ^4- lukket fototransistor udviste en stor gaussisk strømprofil med en fotovoltaisk domineret proces, der henviser til, at SCN ^- lukket fototransistor viste en klar fototermoelektrisk reaktion. Som resultat, Kim et al. observerede fotstrømniveauet for Sn ₂ S ₆ ^4- begrænsede enheder til at være meget højere end SCN ^- afskærmede enheder, på grund af den effektive overførsel af fotogenererede elektroner fra CdSe QD'er til a-IGZO-laget uden et ladningsbærer-fangstproblem.

Forskergruppen sammenlignede lysfølsomheden og fotodetektiviteten for de to fototransistorer under hvidt lys og bredbåndsbelysning for at observere høj fotorespons i Sn ₂ S ₆ ^4- lukkede fototransistorer. De krediterede resultatet for den ekstremt lave flimmerstøj fra enheden og den høje ledende og fældreducerede Sn ₂ S ₆ ^4- ligander af CdSe QD'er. Kim et al. yderligere optaget et mindre fotorespons fra 0,27 sekunder til 90 millisekunder; tilstrækkelig til fotodetektering og billedføler.

For at garantere høj fotodetektivitet og reducere strømlækager i enhederne, de mønstrede højopløselige QD-lag ved hjælp af et CMOS-kompatibelt, direkte fotopatterningsproces. Brug af feltforbedret scanningselektronmikroskopi (FESEM) og atomkraftmikroskopi (AFM) billeder, forskerne bekræftede klare mønstre af QD -lag med en tykkelse på cirka 17 nm. Efter at have konstrueret et fuld-farve (UV-til-IR) ladningsintegrerende kredsløb (CIC), der indeholder direkte fotomønstrede QD-lag, de brugte et a-IGZO lag som et kanalmateriale til at styre eller skifte og bølgelængde-diskriminere de integrerede kredsløb. Den eksperimentelle opsætning tillod in-pixel forstærkning, fuld farve og UV-detektion.

For at demonstrere mulige anvendelser af den hudlignende fuldfarve-fotodetektorplatform, Kim et al. fremstillede et 10 x 10 multiplexeret QD/a-IGZO fotodetektor array på et PI (polyimid) substrat og erhvervede en stor mængde bølgelængdeafhængige data. Team 2-D kortlagde udgangsstrømmen fra fotodetektor-arrayet under belysning af fem forskellige lyskilder (infrarød, rød, grøn, blå og UV), hvor de fleste pixels viste rumligt ensartet strømfordeling til de tilsvarende lyskilder. Kim et al. brugte derefter enheden til biologiske applikationer og overvåger blodets iltmætningsniveauer i pegefingeren ved at måle forskellige bølgelængder af lys gennem de kapillære blodkar. De resulterende 2-D kortdata for forskellige lyskilder viste specifik transmittans afhængigt af bølgelængden. Resultaterne kan føre til kritisk udvikling af mere pålidelig og præcis diagnostik i sundhedsovervågningssystemer.

På denne måde, Jaehyun Kim og kolleger præsenterede lavtemperaturfabrikerede, forskellige QD-baserede fototransistorer og deres in-pixel CIC-arrays for at overgå konventionelle fotodiodebaserede sensorer. Enhederne løste eksisterende begrænsninger af state-of-art fleksible fotodetektorer til fuldfarve fotodetektion fra UV til IR for yderst pålidelig, 2-D fotodetektion. Enhedens bølgelængde -diskriminerende potentiale kan åbne nye muligheder for fotodetektering af enheder og elektronik. Tilsvarende de lysfølsomme og højledende chelaterende chalcometallatligander overførte perfekt fotogenererede elektroner til et aktivt halvlederlag, uden elektronfanger for ekstrem høj lysfølsomhed og fotodetektion. Platformene kan integreres til at konstruere en letvej til en række forskellige bio-billeddannelsesapplikationer.

© 2019 Science X Network