Miljøvenlige InSb/InP kolloide kvanteprikker til hurtige og følsomme kortbølgede infrarøde fotodetektorer

I en undersøgelse offentliggjort i ACS Nano , beskriver forskere fra ICFO Lucheng Peng, Yongjie Wang, Yurong Ren, Zhuoran Wang, ledet af prof. ICREA ved ICFO, Gerasimos Konstantatos, i samarbejde med Pengfei Cao, fra Erns Ruska Center for Mikroskopi og Spektroskopi med Elektroner en ny metode til at syntetisere arsenfri InSb CQD'er med adgang til SWIR-serien.

Deres tilgang omfatter designet af en InSb/InP kerne-skal struktur af de syntetiserede kvanteprikker, der bruges til at fremstille en hurtigreagerende og meget følsom SWIR fotodetektor.

I det nye studie har forskerne udviklet en ny syntetisk proces til at producere højkvalitets brede spektrale afstembare InSb kvanteprikker med størrelsesensartethed ved at bruge kommercielt tilgængelige kemiske prækursorer, der overvinder nogle af de forhindringer, som tidligere strategier havde lidt, herunder en udfordrende synteseproces og høj overfladedefekttæthed.

I deres undersøgelse vedtog forskerne "single-source-tilgangen" ved at bruge en kontinuerlig precursor-injektionsproces i stedet for en varm injektionsmulighed. Denne strategi var nøglen til at opnå InSb CQD med en velkontrolleret størrelsesfordeling og distinkt absorption over et meget bredt spektrum af spektret (900 nm til 1.750 nm).

Ved at bruge en række reaktionstemperaturer, der spænder fra 220ºC til 250ºC, var de i stand til at kontrollere positionerne af prikkerne i den resulterende opløsningsbehandlede tynde film. "Den resulterende spektrale tuneability fra nær infrarød til kortbølget infrarød, det vil sige fra 900 nm til 1.750 nm, er den største rapporterede til dato for InSb CQD," siger forskerne.

De observerede de behandlede CQD-prøver med transmissionselektronmikroskopi (TEM) teknik og bekræftede, at prikkerne havde en gennemsnitlig størrelse på 2,4 nm, 3,0 nm, 3,5 nm, 5,8 nm og 7,0 nm, der muliggjorde absorption af forskellige bølgelængder.

Forskerne karakteriserede også overfladen af ​​InSb CQD'erne, da den er kendt for at være afgørende for CQD-materialets optoelektroniske egenskaber. De brugte røntgenfotoelektronspektroskopi til at undersøge oxidationstilstandene af Sb, der er forbundet med overfladens upassivede Sb dinglende bindinger, og de kunne bekræfte dannelsen af ​​Sb-oxid over den ubeskyttede overflade.

Det næste trin i deres undersøgelse var at udvikle en passiveringsstrategi til at dække de opnåede InSb CQD'er og skabe en skal til at beskytte QCD'erne mod oxidation. Overfladen af ​​InSb QCD'er blev behandlet med indiumtrichlorid (InCl₃ ). Dette beskyttede de hængende overfladebindinger af Sb ved at reducere defekterne og samtidig forbedre den kolloide stabilitet af CQD'erne i de følgende trin af oprensningsprocessen.

Efterfølgende dyrkede forskerne en indium phosphide (InP) beskyttelsesskal med tynd tykkelse over den rensede InSb CQD. De brugte indiumoleat og phosphinsilylamid som forstadier til at generere skallen. Dette forårsagede et signifikant rødt skift på absorptionsspektret af InSb CQD'erne. InSb/InP kerne-skal strukturen blev bekræftet senere af fotoluminescensspektraanalysen.

"InSb/InP kerne-skal struktur betyder, at man dyrker et andet materiale (i dette tilfælde InP) på overfladen af ​​det uberørte materiale (i dette tilfælde InSb). Sammenlignet med InSb er InP et bredere båndgab materiale, der i tilstrækkelig grad kan passivere overfladefælder af InSb, der er skadelige i optoelektroniske enheder. Sb-elementet er også ret følsomt over for ilt, så kerne-skalstrukturen kan i vid udstrækning forbedre materialets luftstabilitet," forklarer Lucheng Peng, ICFO-forsker og førsteforfatter af materialet. studere.

Fabrikation af hurtigere og mere følsomme fotodetektorer

Da dette første trin var opnået, gik forskerne videre til at bruge de optimerede InSb/InP core-shell CQD'er til at fremstille en lavtemperatur, højhastigheds SWIR fotodetektor. Lyssensorenheden blev dannet af flere stablede lag:en base af indiumtinoxid (ITO), et elektronoverførselslag (ETL) lavet af titaniumdioxid (TiO₂ ), det tynde lag, der indeholder InSb/InP CQD'erne og et sidste toplag lavet af guld.

De ønskede at få en fotodetektor med en hurtig tidsrespons til brug i applikationer, der går ud over video frame rates, så de brugte TiO₂ som en ETL på grund af dens fotokemiske stabilitet.

Den fremstillede lyssensors respons blev derefter målt. Som forfatterne skrev, demonstrerer fotodetektoren bemærkelsesværdige funktioner, herunder et bredt lineært dynamisk område, der overstiger 128 dB, en maksimal ekstern kvanteeffektivitet (EQE) på 25 % ved 1.240 nm (og 12 % ved 1.420 nm), hurtig fotoresponstid på 70 ns , og en specifik detektivitet på op til 4,4 × 10 ¹¹ Jones."

Som forskerne kunne bekræfte, viste enheden sig at være meget modstandsdygtig over for atmosfæriske forhold uden nogen indkapsling. Efter to måneders eksponering for det omgivende miljø bevarede fotodetektoren sine egenskaber. Efter 90 timer blev enhedens stabilitet også verificeret, når den fungerede i det fri, og den viste sig at være ekstremt stabil.

"Dette er den bedste løsningsbehandlede, CQD SWIR-fotodetektor baseret på InSb hidtil i betragtning af både ydeevne og stabilitet, med værdier, der kan muliggøre høj-frame-rate lyssensorer til maskinsyn, gated imaging og 3D-sensorapplikationer," siger ICREA Prof. ved ICFO Gerasimos Konstantatos.

"Denne undersøgelse viser ikke kun det enorme potentiale af InSb CQD'er som et aktivt materiale fri for tungmetaller til brug i SWIR fotodetektorer, men det åbner også døren for fremtidige udviklinger inden for kolloid InSb ved at bruge vådkemiske metoder til fremstilling af høj- udfører elektroniske eller optoelektroniske enheder," slutter Konstantatos.

Holdet arbejder nu på, hvordan man yderligere kan reducere den mørke strøm og øge kvanteeffektiviteten af ​​de CQDs-baserede fotosensorer. For at gøre det skal de primært fokusere på at forbedre bærermobiliteten i de tynde film, der indeholder CQD'erne.

At opnå dette vil give dem mulighed for at få en hurtigere responshastighed for lyssensoren, med det formål at gå ud over 10 ns responshastigheden, så teknologien kan bruges i i-ToF (indirect-time-of-flight), hvilket er nyttigt i LIDAR og 3D-billeddannelse.

Flere oplysninger: Lucheng Peng et al., InSb/InP Core–Shell Colloidal Quantum Dots til følsomme og hurtige kortbølgede infrarøde fotodetektorer, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12007

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af ICFO