Bredt spektrum:Nyt hybridmateriale beviser en effektiv fotodetektor

Digitale kameraer såvel som mange andre elektroniske enheder har brug for lysfølsomme sensorer. For at imødekomme den stigende efterspørgsel efter optoelektroniske komponenter af denne art, industrien leder efter nye halvledermaterialer. De skal ikke kun dække en bred vifte af bølgelængder, men bør også være billige. Et hybridmateriale, udviklet i Dresden, opfylder begge disse krav. Himani Arora, en fysik ph.d. studerende på Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), vist, at denne metal-organiske ramme kan bruges som en bredbånds fotodetektor. Da den ikke indeholder omkostningskrævende råvarer, det kan produceres billigt i løs vægt.

I de sidste tyve år har metal-organiske rammer (MOF'er) er blevet et eftertragtet materialesystem. Indtil nu, disse meget porøse stoffer, hvoraf op til 90 procent består af tomt rum, stort set har været brugt til at lagre gasser, til katalyse eller til langsom frigivelse af lægemidler i menneskekroppen. "Den metal-organiske rammemasse, der er udviklet på TU Dresden, består af et organisk materiale integreret med jernioner, "forklarer Dr. Artur Erbe, leder af gruppen "Transport i nanostrukturer" ved HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Det særlige ved det er, at rammen danner overlejrede lag med halvledende egenskaber, hvilket gør det potentielt interessant for optoelektroniske applikationer. "

Gruppen havde ideen om at bruge den nye halvledende todimensionale MOF som fotodetektor. For at forfølge det yderligere, Himani Arora undersøgte halvlederens elektroniske egenskaber. Hun udforskede, blandt andre, i hvilket omfang lysfølsomheden var afhængig af temperatur og bølgelængde - og kom til en lovende konklusion:Fra 400 til 1, 575 nanometer, halvlederen kunne detektere en lang række lysbølgelængder. Strålespektret går således fra ultraviolet til nær infrarød. "Dette er første gang, vi har bevist en sådan bredbånds fotodetektion for en fotodetektor fuldstændigt baseret på MOF -lag, "noterer doktoranden." Disse er ideelle egenskaber til at bruge materialet som et aktivt element i optoelektroniske komponenter. "

Lille båndgab giver effektivitet

Spektret af bølgelængder, et halvledende materiale kan dække og omdanne til elektriske signaler, afhænger i det væsentlige af den såkaldte båndgab. Eksperter bruger dette udtryk til at beskrive den energiske afstand mellem valensbåndet og ledningsbåndet af et faststofmateriale. I typiske halvledere, valensbåndet er helt fyldt, så elektronerne kan ikke bevæge sig rundt. Ledningsbåndet, på den anden side, er stort set tom, så elektronerne kan bevæge sig frit rundt og påvirke strømmen. Mens båndgabet i isolatorer er så stort, at elektronerne ikke kan hoppe fra valancebåndet til ledningsbåndet, metalledere har ingen sådanne huller. En halvlederbåndgap er lige stor nok til at hæve elektronerne til det højere energiniveau i ledningsbåndet ved hjælp af lysbølgerne. Jo mindre båndgab, jo mindre energi kræves for at ophidse en elektron. "Da båndgabet i det materiale, vi undersøgte, er meget lille, kun meget lidt lysenergi er nødvendig for at fremkalde elektricitet, "Forklarer Himani Arora." Dette er grunden til det store spektrum af det påviselige spektrum. "

Ved at afkøle detektoren til lavere temperaturer, ydeevnen kan forbedres endnu mere, fordi elektronernes termiske excitation undertrykkes. Andre forbedringer omfatter optimering af komponentkonfigurationen, producere mere pålidelige kontakter og udvikle materialet yderligere. Resultaterne tyder på, at de MOF-baserede fotodetektorer får en lys fremtid. Takket være deres elektroniske egenskaber og billig fremstilling, MOF -lag er lovende kandidater til en række optoelektroniske applikationer.

"Det næste trin er at skalere lagtykkelsen, "siger Artur Erbe, ser frem til. "I undersøgelsen 1,7 mikrometer MOF -film blev brugt til at bygge fotodetektoren. For at integrere dem i komponenter, de skal være betydeligt tyndere. "Hvis det er muligt, målet er at reducere de overlejrede lag til 70 nanometer, det er, 25 gange mindre end deres størrelse. Ned til denne lagtykkelse skal materialet udvise sammenlignelige egenskaber. Hvis gruppen kan bevise, at funktionaliteten forbliver den samme i disse betydeligt tyndere lag, de kan derefter gå i gang med at udvikle det til produktionsfasen.