Los fotodetectores son los dispositivos que convierten la información transportada por la luz en una señal eléctrica que puede ser procesada por circuitos electrónicos y computadoras. Se encuentran en dispositivos cotidianos, como controles remotos de televisión y sensores de movimiento, y son un componente clave en muchas tecnologías de inteligencia artificial e Internet de las cosas (IoT). Pero el más grande y el mercado de más rápido crecimiento para ellos son los centros de datos y las telecomunicaciones, donde decenas de millones de ellos se implementan cada año para adaptarse a las crecientes demandas de almacenamiento de nuestra tecnología informática.

El crecimiento de estas industrias ha convertido al fotodetector en un producto de alta demanda, pero su fabricación requiere materiales costosos, como el oro y el titanio, y condiciones altamente controladas producidas por equipos intensivos en capital con altos costos de mantenimiento.

Investigadores de la Universidad de Drexel informaron recientemente sobre una nueva forma de hacer los sensores, utilizando un tipo de material bidimensional llamado MXene, que mejora su sensibilidad y reduce sustancialmente los costes de producción.

En su investigación, que apareció recientemente en la revista Materiales avanzados , el grupo muestra cómo reemplazar el oro con una capa translúcidamente delgada de material MXene puede hacer posible ampliar el proceso de producción de fotodetectores y producir sensores que son superiores al estándar de oro actual.

"Este es un avance importante porque se espera que la demanda mundial de fotodectores alcance los $ 2 mil millones para el año 2024, por lo que existe una necesidad imperiosa de ampliar el proceso y encontrar materiales más sostenibles para usar como componentes, "dijo Pouya Dianat, Doctor., profesor asistente de investigación en la Facultad de Ingeniería de Drexel y coautor del artículo.

Los fotodetectores transforman la radiación luminosa en corriente eléctrica. Por lo general, usan oro como material de contacto para conectar el material del detector al resto del circuito porque es altamente conductor. Estos detectores son cada vez más comunes en una variedad de aplicaciones que requieren la transmisión rápida de volúmenes de datos, como el montaje automatizado, sistemas de empaque y entrega que están creciendo para adaptarse a la explosión de las compras en línea. En los centros de datos del tamaño de un almacén se utilizan estantes altísimos para transmitir información a través de los edificios que pueden abarcar el área de cuatro campos de fútbol.

Porque MXenes, que son materiales en capas bidimensionales delgados, son lo suficientemente versátiles como para permanecer altamente conductivos cuando se aplican en una variedad de formas, desde pintura en aerosol, a la arcilla, a la tinta:se han convertido en un candidato atractivo para su uso, en forma de película transparente, como electrodos en fotodetectores.

"Uno de los mayores desafíos de la fabricación de fotodetectores es la deposición de contactos de oro. Además del costo del oro en sí, el proceso de fabricación debe realizarse a alta temperatura y en cámara de vacío, que también es bastante costoso, "dijo Kiana Montazeri, investigadora doctoral y autora principal del artículo. "Estamos reemplazando el oro por MXenes, que son materiales menos costosos, y producir los componentes del fotodetector depositándolos en condiciones ambientales utilizando un rotor de mesa ".

Este proceso de deposición de película delgada, funciona de forma similar a colocar una gota de tinta en una centrífuga y luego despegar la salpicadura resultante de la pared. Como un proceso relativamente simple que se puede realizar en condiciones atmosféricas normales sobre un sustrato estampado, se puede escalar fácilmente a fotodetectores MXene de producción masiva.

La sensibilidad de los fotodetectores está relacionada con la superficie del material fotosensible. Si bien los sensores más grandes serían más deseables, su tamaño también requiere más potencia óptica para funcionar, y hace que la respuesta sea lenta. Porque son conductores, Las películas MXene podrían usarse en múltiples componentes de los sensores, convirtiendo así casi toda la superficie del dispositivo en un área de detección, sin disminuir su eficiencia energética ni su rendimiento.

"El interés en MXenes se ha disparado recientemente por varias razones, El principal de ellos es que se pueden mezclar con agua para hacer aerosoles y tintas sin dejar de ser bastante conductivos. "dijo Bahram Nabet, Doctor., profesor de la Facultad de Ingeniería de Drexel y coautor del artículo "El uso de película MXene transparente como contactos en fotodetectores ofrece una ventaja obvia porque mitiga el equilibrio entre la distancia de tránsito del operador y la capacidad de respuesta".

En el documento, los investigadores informan que los fotodetectores de película MXene que crearon funcionaron aproximadamente cuatro veces mejor, en términos de sensibilidad, que los dispositivos actuales hechos con oro. Esto significa que podrían usarse para hacer que los centros de datos sean mucho más eficientes energéticamente.

"El siguiente paso de este trabajo es continuar estandarizando el proceso de producción y desarrollar métodos para estabilizar los componentes de MXene para su uso en una variedad de entornos y condiciones, "dijo Michel Barsoum, Doctor., Profesor distinguido de la Facultad de Ingeniería. "Esperamos que este descubrimiento abra la puerta al uso de MXene en una amplia variedad de dispositivos optoelectrónicos, como fotodiodos y fototransistores, así como en tecnologías habilitadoras como la microelectrónica, circuitos integrados fotónicos y fotónica de silicio ".