Las cámaras digitales, así como muchos otros dispositivos electrónicos, necesitan sensores sensibles a la luz. Para atender la creciente demanda de componentes optoelectrónicos de este tipo, la industria está buscando nuevos materiales semiconductores. Se supone que no solo cubren una amplia gama de longitudes de onda, sino que también deben ser económicas. Un material híbrido, desarrollado en Dresde, cumple ambos requisitos. Himani Arora, un doctorado en física estudiante en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), demostró que esta estructura organometálica se puede utilizar como fotodetector de banda ancha. Como no contiene materias primas costosas, se puede producir a granel de forma económica.

En los últimos veinte años Las estructuras metalorgánicas (MOF) se han convertido en un sistema de materiales codiciado. Hasta aquí, estas sustancias altamente porosas, hasta el 90 por ciento de los cuales se componen de espacio vacío, se han utilizado en gran medida para almacenar gases, para catálisis o para liberar lentamente fármacos en el cuerpo humano. "El compuesto de estructura organometálico desarrollado en TU Dresden comprende un material orgánico integrado con iones de hierro, "explica el Dr. Artur Erbe, jefe del grupo "Transporte en nanoestructuras" del Instituto de Física de Rayos de Iones e Investigación de Materiales de HZDR. "Lo especial de esto es que el marco forma capas superpuestas con propiedades semiconductoras, lo que lo hace potencialmente interesante para aplicaciones optoelectrónicas ".

El grupo tuvo la idea de utilizar el nuevo MOF bidimensional semiconductor como fotodetector. Para seguir adelante, Himani Arora investigó las propiedades electrónicas del semiconductor. Ella exploró entre otros, en qué medida la sensibilidad a la luz dependía de la temperatura y la longitud de onda, y llegó a una conclusión prometedora:de 400 a 1, 575 nanómetros, el semiconductor podría detectar una amplia gama de longitudes de onda de luz. Por tanto, el espectro de radiación va del ultravioleta al infrarrojo cercano. "Esta es la primera vez que probamos una fotodetección de banda ancha para un fotodetector completamente basado en capas MOF, “Estas son propiedades ideales para usar el material como un elemento activo en componentes optoelectrónicos”, señala el doctorando.

La banda prohibida pequeña contribuye a la eficiencia

El espectro de longitudes de onda que un material semiconductor puede cubrir y transformar en señales eléctricas depende esencialmente de la llamada banda prohibida. Los expertos utilizan este término para describir la distancia energética entre la banda de valencia y la banda de conducción de un material en estado sólido. En semiconductores típicos, la banda de valencia está completamente llena, por lo que los electrones no pueden moverse. La banda de conducción, por otra parte, está en gran parte vacío, por lo que los electrones pueden moverse libremente e influir en el flujo de corriente. Si bien la banda prohibida en los aisladores es tan grande que los electrones no pueden saltar de la banda de cenefa a la banda de conducción, los conductores de metal no tienen tales espacios. La banda prohibida de un semiconductor es lo suficientemente grande como para elevar los electrones al nivel de energía más alto de la banda de conducción mediante el uso de ondas de luz. Cuanto menor sea la banda prohibida, menor es la energía requerida para excitar un electrón. "Como la brecha en el material que exploramos es muy pequeña, solo se requiere muy poca energía lumínica para inducir la electricidad, "Himani Arora explica." Esta es la razón del amplio rango del espectro detectable ".

Al enfriar el detector a temperaturas más bajas, el rendimiento se puede mejorar aún más porque se suprime la excitación térmica de los electrones. Otras mejoras incluyen la optimización de la configuración de los componentes, produciendo contactos más fiables y desarrollando aún más el material. Los resultados sugieren que los fotodetectores basados ​​en MOF tendrán un futuro brillante. Gracias a sus propiedades electrónicas y fabricación económica, Las capas de MOF son candidatos prometedores para una serie de aplicaciones optoelectrónicas.

"El siguiente paso es escalar el grosor de la capa, "dice Artur Erbe, viendo hacia adelante. "En el estudio, Se utilizaron películas MOF de 1,7 micrómetros para construir el fotodetector. Para integrarlos en componentes, deben ser significativamente más delgados ". Si es posible, el objetivo es reducir las capas superpuestas a 70 nanómetros, es decir, 25 veces más pequeño que su tamaño. Hasta este espesor de capa, el material debería presentar propiedades comparables. Si el grupo puede demostrar que la funcionalidad sigue siendo la misma en estas capas significativamente más delgadas, luego pueden embarcarse en su desarrollo hasta la etapa de producción.