MXene-materialer hjælper fotodetektorer med at se lyset

Fotodetektorer er de enheder, der konverterer information båret af lys til et elektrisk signal, der kan behandles af elektroniske kredsløb og computere. De findes i dagligdags enheder, såsom fjernsynsfjernbetjeninger og bevægelsessensorer, og de er en nøglekomponent i mange kunstig intelligens og Internet of Things (IoT) teknologier. Men den største, og det hurtigst voksende marked for dem er inden for datacentre og telekommunikation – hvor titusinder af dem udrulles hvert år for at imødekomme de skyhøje lagerkrav fra vores computerteknologi.

Væksten i disse industrier har gjort fotodetektoren til et produkt med høj efterspørgsel, men deres fremstilling kræver dyre materialer, såsom guld og titanium, og meget kontrollerede forhold produceret af kapitalkrævende udstyr med høje vedligeholdelsesomkostninger.

Forskere ved Drexel University rapporterede for nylig om en ny måde at lave sensorerne på, ved at bruge en type todimensionelt materiale kaldet MXene, hvilket forbedrer deres følsomhed og reducerer produktionsomkostningerne væsentligt.

I deres forskning, som for nylig blev omtalt i bladet Avancerede materialer , gruppen viser, hvordan udskiftning af guld med et gennemsigtigt tyndt lag af MXene-materiale kan gøre det muligt at opskalere fotodetektorproduktionsprocessen og udskille sensorer, der er overlegne i forhold til den nuværende – guld – standard.

"Dette er en vigtig udvikling, fordi den verdensomspændende efterspørgsel efter fotodetektorer forventes at nå op på 2 milliarder dollars i år 2024, så der er et presserende behov for at skalere processen op og finde mere bæredygtige materialer til brug som komponenter, " sagde Pouya Dianat, Ph.D., en assisterende forskningsprofessor ved Drexel's College of Engineering og medforfatter til papiret.

Fotodetektorer omdanner lysstråling til en elektrisk strøm. De bruger typisk guld som deres kontaktmateriale til at forbinde detektormaterialet til resten af ​​kredsløbet, fordi det er stærkt ledende. Disse detektorer er mere og mere almindelige i en række applikationer, der kræver hurtig transmission af datamængder, såsom automatiseret montage, pakke- og leveringssystemer, der vokser for at imødekomme eksplosionen af ​​online shopping. Tårnhøje stativer af dem bruges i datacentre i lagerstørrelse til at sende information på tværs af bygningerne, der kan spænde over fire fodboldbaners areal.

Fordi MXenes, som er todimensionelt tyndt lagde materialer, er alsidige nok til at forblive stærkt ledende, når de påføres i en række forskellige former - fra spraymaling, at lere, til blæk - de er dukket op som en tiltalende kandidat til brug, i transparent filmform, som elektroder i fotodetektorer.

"En af de største udfordringer ved at fremstille fotodetektorer er afsætningen af ​​guldkontakter. Ud over prisen på selve guldet, fremstillingsprocessen skal udføres ved høj temperatur og i vakuumkammer, hvilket også er ret dyrt, " sagde Kiana Montazeri, en doktorgradsforsker og hovedforfatter af papiret. "Vi erstatter guld med MXenes, som er billigere materialer, og fremstilling af fotodetektorkomponenterne ved at deponere det under omgivende forhold ved hjælp af en bordspind."

Denne tyndfilm aflejringsproces, virker noget som at placere en klat blæk i en centrifuge og så pille det resulterende stænk af væggen. Som en relativt simpel proces, der kan udføres under normale atmosfæriske forhold på et mønstret substrat, det kan nemt skaleres op til masseproduceret MXene fotodetektorer.

Følsomheden af ​​fotodetektorer er knyttet til overfladearealet af det fotofølsomme materiale. Mens større sensorer ville være mere ønskelige, deres størrelse kræver også mere optisk effekt for at fungere, og får responsen til at være langsom. Fordi de er ledende, MXene-film kan bruges i flere komponenter af sensorerne, hvilket gør næsten hele enhedens overflade til et føleområde, uden at forringe dens energieffektivitet eller ydeevne.

"Interessen for MXenes er eksploderet for nylig af en række årsager, Den vigtigste blandt dem er, at de kan blandes med vand for at lave sprays og blæk, mens de forbliver ret ledende, " sagde Bahram Nabet, Ph.D., en professor ved Drexel's College of Engineering og en medforfatter af papiret "Brug af transparent MXene-film som kontakterne i fotodetektorer giver en indlysende fordel, idet det mindsker afvejningen mellem transportørtransportafstand og reaktionsevne."

I papiret rapporterer forskerne, at de MXene-filmfotodetektorer, de skabte, klarede sig omkring fire gange bedre - med hensyn til følsomhed - end nuværende enheder lavet med guld. Det betyder, at de kan bruges til at gøre datacentre meget mere energieffektive.

"Det næste skridt i dette arbejde er at fortsætte med at standardisere produktionsprocessen og udvikle metoder til at stabilisere MXene-komponenter til brug i en række forskellige miljøer og forhold, sagde Michel Barsoum, Ph.D., Fremragende professor ved Ingeniørhøjskolen. "Vi forventer, at denne opdagelse vil åbne døren for brug af MXene i en lang række opto-elektroniske enheder, såsom fotodioder og fototransistorer samt i muliggørende teknologier såsom mikroelektronik, fotoniske integrerede kredsløb og siliciumfotonik."