Los fotodetectores a todo color que pueden convertir la luz en señales eléctricas sin filtros de color sofisticados y óptica interferométrica han ganado una atención considerable para aplicaciones generalizadas. Sin embargo, Los desafíos técnicos han impedido a los científicos combinar semiconductores multiespectrales y mejorar la eficiencia de transferencia de fotones para formar dispositivos optoelectrónicos de alto rendimiento en la práctica. En un informe reciente sobre Avances de la ciencia , Jaehyun Kim y un equipo de investigación en ciencia e ingeniería de materiales en los Estados Unidos y Corea, describió un fabricado a baja temperatura (150 grados C), pixelado bidimensionalmente (2-D), fotodetector a todo color que utiliza la integración monolítica de puntos cuánticos acoplados a semiconductores amorfos de indio-galio-óxido de zinc.

Introdujeron ligandos de calcometalato quelante (metal sintético / semiconductor combinado) para realizar con éxito un transporte de portadores de carga altamente eficiente y un patrón fino sin fotorresistores de capas 2-D. Los componentes mostraron una fotodetectividad y una fotorrespuesta extremadamente altas en una amplia gama de longitudes de onda. Basado en estas técnicas, El equipo de investigación implementó una matriz de circuitos de fototransistores discriminables por longitud de onda en una plataforma blanda similar a una piel como un enfoque versátil y escalable para formar sensores de imagen de espectro amplio y dispositivos biológicos orientados al ser humano.

Los científicos de materiales tienen como objetivo desarrollar fotodetectores interconectados a todo color [que abarquen el espectro ultravioleta (UV) a infrarrojo (IR)] diseñados en una plataforma suave similar a la piel para recopilar información significativa del cuerpo humano y el entorno circundante. Estas tecnologías tendrán aplicaciones como sensores de imágenes neuromórficas, robótica blanda y como monitores de salud biológica. En comparación con la fotodetección de banda única o de banda estrecha, La fotodetección 2-D a todo color en una sola plataforma es significativamente ventajosa para obtener información confiable y extensa. Para superar los desafíos existentes de la fabricación de dispositivos 2-D a todo color, Los investigadores habían desarrollado previamente fotodetectores con nuevos materiales de fotosensibilidad para formar arquitecturas de dispositivos para la fotodetección de banda ancha. Estos incluyen puntos cuánticos coloidales, semiconductores de óxido amorfo (AOS), semiconductores orgánicos, materiales de perovskita y materiales 2-D como el grafeno y dicalcogenuros de metales de transición.

Si bien los avances anteriores son dignos de mención, por lo general, incluían un material absorbente de banda estrecha con capacidad de sintonización limitada de banda prohibida y capacidad de discriminación de longitud de onda limitada. Para superar los límites, Los puntos cuánticos coloidales (QD) han llamado la atención debido a sus características optoelectrónicas únicas que incluyen una amplia sintonización de banda prohibida y un aumento de los coeficientes de absorción de la luz. Pero rara vez se informan durante las aplicaciones de fotodetección a todo color de alta sensibilidad.

En el nuevo estudio, Kim y col. desarrolló un enfoque escalable versátil y de gran área para extender el ancho de banda de detección de un fotodetector de UV a IR. Los científicos utilizaron la integración monolítica de QD con transistores de película delgada (TFT) o fototransistores amorfos basados ​​en indio-galio-óxido de zinc (a-IGZO) para implementar un circuito de integración de carga (CIC) 2-D en píxeles de baja temperatura. matriz para la discriminación de color. Para lograr una fotodetectividad ultra alta, introdujeron un ligando de calcometalato quelante (ligando combinado metálico y semiconductor) de alto rendimiento eléctrico y reducción de trampas para QD (puntos cuánticos). Kim y col. también obtuvieron patrones de alta resolución de múltiples capas QD a través de fotopatrones directos y demostraron que sus fototransistores pixelados forman una piel, fotodetector bidimensional capaz de realizar una fotodetección a todo color dependiente de la posición.

El equipo de investigación llevó a cabo dos estrategias para realizar la fotodetección a todo color con alta sensibilidad; Primero diseñaron la arquitectura del fotodetector junto con un circuito en píxeles para una alta sensibilidad. Luego combinaron QD con una capa activa de a-IGZO (indio-galio-óxido de zinc) para una absorción de luz a todo color y una recolección de carga altamente eficiente. Diseñaron el fotodetector flexible QD / a-IGZO en un sustrato ultrafino de poliimida (PI). Luego usó microscopía electrónica de transmisión de alta resolución de sección transversal (HRTEM) para confirmar el apilamiento de QD en la capa a-IGZO, junto con la distribución uniforme de la capa QD. Para detectar la gama de colores completa, el equipo incluyó una variedad de capas QD con diferentes bandgaps en la capa a-IGZO.

Los científicos habían incorporado previamente QD semiconductores en varios dispositivos optoelectrónicos, pero el transporte de carga permaneció frecuentemente limitado por ligandos que conectan los QD. Para mejorar la eficiencia de transferencia de carga del dispositivo, investigaron los ligandos conductores, incluido el etanoditiol, tiocianato y ligandos atómicos. El actual equipo de investigadores eligió Sn ₂ S ₆ ^4- como el sistema ideal de una variedad de ligandos calcometalatos y SCN seleccionados ^- QD basados ​​en ligandos como referencia, debido a amplias investigaciones sobre su alta conductividad y movilidad en dispositivos electrónicos.

En la configuración experimental, SCN ^- QDs tapados se descomponen fácilmente para formar vacantes de azufre en la superficie de QD, impidiendo la transferencia de carga eficiente entre los QD y la capa del canal a-IGZO. Relativamente, el bidentado (donando dos pares de electrones a un átomo metálico) Sn ₂ S ₆ ^4- los ligandos tenían vacantes de azufre mínimas en la superficie QD. Los electrones fotogenerados de Sn ₂ S ₆ ^4- Por lo tanto, los QD limitados se transfieren de manera eficiente a la banda de conducción de la capa del canal a-IGZO. Esto resultó en una gran barrera de energía y recolección de carga con un atrapamiento mínimo para que los orificios fotogenerados permanezcan en los QD o cerca de la interfaz QD / a-IGZO.

Los científicos investigaron las características de respuesta óptica de los fototransistores QD / a-IGZO con una variedad de análisis espectroscópicos, incluyendo análisis de ruido relacionado con trampas interfaciales y microscopía de fotocorriente de barrido (SPCM). Anotaron el SCN ^- fototransistores de seleniuro de cadmio tapado (CdSe) para tener aproximadamente 10 ³ veces mayor densidad de trampas que Sn ₂ S ₆ ^4- fototransistores CdSe QD / a-IGZO con tapa. El Sn ₂ S ₆ ^4- fototransistor tapado exhibió un gran perfil de corriente gaussiana con un proceso dominado por la energía fotovoltaica, mientras que el SCN ^- El fototransistor tapado mostró una clara respuesta fototermoeléctrica. Como resultado, Kim y col. observó el nivel de fotocorriente de Sn ₂ S ₆ ^4- dispositivos limitados para ser mucho más altos que SCN ^- dispositivos tapados, debido a la transferencia eficiente de electrones fotogenerados desde CdSe QDs a la capa a-IGZO sin un problema de atrapamiento del portador de carga.

El equipo de investigación comparó la fotosensibilidad y la fotodetectividad de los dos fototransistores bajo luz blanca e iluminación de banda ancha para observar una alta fotorrespuesta en Sn ₂ S ₆ ^4- fototransistores con tapa. Atribuyeron el resultado al ruido de parpadeo extremadamente bajo del dispositivo y al Sn de alta conducción y reducción de trampas. ₂ S ₆ ^4- ligandos de CdSe QDs. Kim y col. registró además una respuesta fotográfica más pequeña de 0,27 segundos a 90 milisegundos; suficiente para aplicaciones de fotodetección y detección de imágenes.

Para garantizar una alta fotodetectividad y reducir las fugas de corriente en los dispositivos, modelaron capas QD de alta resolución utilizando un CMOS compatible, proceso de fotopatrón directo. Usando imágenes de microscopía electrónica de barrido de campo mejorado (FESEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM), los investigadores confirmaron un patrón claro de capas QD con un grosor aproximado de 17 nm. Después de diseñar un circuito de integración de carga (CIC) a todo color (UV-a-IR) que contiene capas QD directamente fotopatronadas, utilizaron una capa a-IGZO como material de canal para controlar o cambiar y discriminar por longitud de onda los circuitos integrados. La configuración experimental permitió la amplificación en píxeles, detección a todo color y UV.

Para demostrar las posibles aplicaciones de la plataforma de fotodetectores a todo color similar a la piel, Kim y col. preparó una matriz de fotodetectores QD / a-IGZO multiplexada de 10 x 10 en un sustrato de PI (poliimida) y adquirió una gran cantidad de datos dependientes de la longitud de onda. El equipo 2-D mapeó la corriente de salida obtenida de la matriz de fotodetectores bajo la iluminación de cinco fuentes de luz diferentes (infrarrojos, rojo, verde, azul y UV), donde la mayoría de los píxeles mostraron una distribución de corriente espacialmente uniforme a las correspondientes fuentes de luz. Kim y col. luego usó el dispositivo para aplicaciones biológicas y monitoreó los niveles de saturación de oxígeno en sangre en el dedo índice midiendo varias longitudes de onda de luz a través de los vasos sanguíneos capilares. Los datos del mapa 2-D resultantes para diversas fuentes de luz mostraron una transmitancia específica en función de la longitud de onda. Los resultados pueden conducir a un avance crítico de diagnósticos más confiables y precisos en los sistemas de monitoreo de la salud.

De este modo, Jaehyun Kim y sus colegas presentaron fabricados a baja temperatura, diversos fototransistores basados ​​en QD y sus matrices CIC en píxeles para superar a los sensores convencionales basados ​​en fotodiodos. Los dispositivos resolvieron los límites existentes de fotodetectores flexibles de última generación para la fotodetección a todo color de UV a IR para una alta confiabilidad, Fotodetección 2-D. El potencial de discriminación de la longitud de onda del dispositivo puede abrir nuevas perspectivas para los dispositivos de fotodetección y la electrónica. Similar, los ligandos calcometalatos quelantes fotosensibles y de alta conductividad transfieren perfectamente electrones fotogenerados a una capa semiconductora activa, sin atrapamiento de electrones para una fotosensibilidad y fotodetección extremadamente altas. Las plataformas pueden integrarse para diseñar una ruta fácil para una variedad de aplicaciones de bioimagen.

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