Undersøgelse viser ydeevnen af ​​fotodetektor-heterojunctions varierer med kulstofnanorørets diameter

Forbindelser mellem de to forskellige materialer, single-wall carbon nanorør (SWCNT'er) og perovskit (CsPbBr₃ ) quantum dots (QD'er) - et mekanisk stabilt og let tilpasset fotovoltaisk materiale, der skaber en elektrisk strøm fra sollys, når det parres med et andet materiale, såsom SWCNT'er - danner halvleder-heterojunctions, der fungerer usædvanligt godt som en fotodetektor.

Nyere forskning tyder på, at en forøgelse af diameteren af ​​SWCNT'er i SWCNT/perovskite QD-heterojunctions forbedrer den optoelektroniske, eller evnen til at omdanne lys til elektricitet, ydeevnen af ​​heterojunction mellem de to materialer.

Et team af forskere testede systematisk ydeevnevirkningerne af varierende diametre af SWCNT'er, et enkelt lag af kulstofatomer, der danner et sekskantet gitter rullet ind i en sømløs cylinder, med forskellige båndgab, eller mængden af ​​energi, der kræves for en elektron at lede elektrisk strøm , i heterojunction-film med perovskite QD'er.

Deres undersøgelse indikerede, at forøgelse af diameteren af ​​SWCNT'er forbedrede responsiviteten, detektiviteten og responstiden for denne type heterojunction-film. Denne effekt kan medieres af den forbedrede adskillelse og transport af fotogenererede excitoner, en energibærende, neutralt ladet elektron, der kombineres med et positivt elektronhul, i filmen.

Holdet offentliggjorde resultaterne af deres undersøgelse i Nano Research .

"Tilpasningen mellem båndgab af SWCNT'er og QD'er bestemmer adskillelsen af ​​de fotogenererede excitoner ved de heterogene grænseflader, mens SWCNT'er med forskellige diameter viser forskellig bærekapacitet og mobilitet," sagde Huaping Liu, hovedforsker af undersøgelsen og professor ved instituttet i fysik ved det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, Kina.

"Disse karakteristika bestemmer den fotoelektroniske ydeevne af SWCNT'er/perovskite QDs heterojunction-film, hvilket gør det ... vigtigt systematisk at studere diametereffekten af ​​forskellige båndgab-SWCNT'er på fotodetektionsydelsen af ​​disse film."

Holdet undersøgte forskellene i fotodetektorydelse for SWCNT-diametre mellem 1,0 og 1,4 nm. Karakteristika for hver diameter blev vurderet ved at udsætte SWCNT/perovskite QD-filmene for 410 nm lys ved forskellige intensiteter og måle strømspændingskurverne for hver film. Disse data kan derefter bruges til at bestemme fotostrømmen, fotoresponsiviteten og detektiviteten ved hver nanorørdiameter.

Båndgabet af SWCNT'er er nogenlunde omvendt proportional med diameteren af ​​nanorøret. Da SWCNT-diameteren blev øget fra 1,0 nm til 1,4 nm, observerede forskerholdet en stigning i responsiviteten med omkring en størrelsesorden, en 5-fold stigning i detektivitet og en 4-fold stigning i responshastighed. De SWCNT'er med større diameter, der blev målt i undersøgelsen, forbedrede bærekapaciteten og mobiliteten for at forbedre filmens ydeevne.

"Den store forbedring i den fotoelektriske ydeevne i film med SWCNT'er med større diameter tilskrives stigende indbyggede elektriske felter ved heterojunction-grænsefladen af ​​s-SWCNT'er halvledende SWCNT'er/QD'er ..., hvilket driver adskillelsen af ​​hulbærere fra fotogenererede excitoner til s -SWCNT'er og hurtig transport i SWCNT-film," sagde Liu.

Næste generation af fotodetektorer lavet af SWCNT'er og QD'er er nødvendige for at reducere materialeomkostninger, energiforbrug og skrøbelighed af disse typer detektorer i fremtidens elektronik. Interessant nok er SWCNT monolagsfilm alene meget ineffektive til at detektere lys, og perovskit QD-film er tilbøjelige til lav bærermobilitet, responsivitet og detektivitet. I modsætning hertil forbedrer perovskite kvanteprikfilm, når de parres med SWCNT-monolag, den optiske absorption som en tynd tolagsfilm med forbedret responsivitet.

Resultater fra denne undersøgelse vil hjælpe andre forskere i design og fremstilling af nye højtydende fotodetektorer, der kræves til optisk kommunikation, bærbare teknologier og andre applikationer inden for medicin og kunstig intelligens. Lius team planlægger at bruge disse eksperimentelle resultater specifikt i designet af optimerede fotodetektorer til brug i meget følsomme kunstige synssystemer.

Flere oplysninger: Yayang Yu et al., Diameterafhængige fotoelektriske ydeevner af halvledende carbonnanorør/perovskit-heterojunctions, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5942-1

Journaloplysninger: Nanoforskning

Leveret af Tsinghua University Press