Invisible a nuestros ojos, la luz infrarroja de onda corta (SWIR) puede permitir una confiabilidad, funcionamiento y rendimiento sin precedentes en aplicaciones de visión por computadora de gran volumen en los mercados de robótica de servicios, automoción y electrónica de consumo.
Los sensores de imagen con sensibilidad SWIR pueden funcionar de forma fiable en condiciones adversas como luz solar intensa, niebla, neblina y humo. Además, la gama SWIR proporciona fuentes de iluminación seguras para los ojos y abre la posibilidad de detectar propiedades de materiales mediante imágenes moleculares.
La tecnología de sensor de imagen basada en puntos cuánticos coloidales (CQD) ofrece una plataforma tecnológica prometedora para habilitar sensores de imagen compatibles de gran volumen en el SWIR.
Los CQD, cristales semiconductores nanométricos, son una plataforma de material procesado en solución que se puede integrar con CMOS y permite el acceso a la gama SWIR. Sin embargo, existe un obstáculo fundamental a la hora de traducir los puntos cuánticos sensibles a SWIR en tecnología clave para aplicaciones en el mercado masivo, ya que a menudo contienen metales pesados como plomo o mercurio (IV-VI Pb, semiconductores de calcogenuro de Hg).
Estos materiales están sujetos a las regulaciones de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS), una directiva europea que regula su uso en aplicaciones electrónicas comerciales de consumo.
En un estudio publicado en Nature Photonics , los investigadores del ICFO Yongjie Wang, Lucheng Peng y Aditya Malla, dirigidos por el profesor ICREA Gerasimos Konstantatos del ICFO, en colaboración con los investigadores Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black y Stijn Goossens, de Qurv, han informado sobre el desarrollo de fotodetectores infrarrojos de alto rendimiento y un sensor de imagen SWIR que funciona a temperatura ambiente basado en puntos cuánticos coloidales no tóxicos.
El estudio describe un nuevo método para sintetizar telururo de plata libre de fosfina y ajustable en tamaño (Ag2 Te) puntos cuánticos preservando al mismo tiempo las propiedades ventajosas de sus homólogos tradicionales de metales pesados, allanando el camino para la introducción de la tecnología de puntos cuánticos coloidales SWIR en mercados de gran volumen.
Mientras investigaba cómo sintetizar telururo de plata y bismuto (AgBiTe2 ) nanocristales para ampliar la cobertura espectral del AsBiS2 tecnología para mejorar el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos, los investigadores obtuvieron telururo de plata (Ag2 Te) como subproducto.
Este material mostró una absorción confinada cuántica fuerte y sintonizable similar a los puntos cuánticos. Se dieron cuenta de su potencial para los fotodetectores y sensores de imagen SWIR y centraron sus esfuerzos en lograr y controlar un nuevo proceso para sintetizar versiones libres de fosfina de puntos cuánticos de telururo de plata, ya que se descubrió que la fosfina tiene un impacto perjudicial en las propiedades optoelectrónicas de los puntos cuánticos. relevante para la fotodetección.
En su nuevo método sintético, el equipo utilizó diferentes complejos libres de fosfina, como precursores de telurio y plata, que les llevaron a obtener puntos cuánticos con una distribución de tamaño bien controlada y picos excitónicos en un rango muy amplio del espectro.
Después de fabricarlos y caracterizarlos, los puntos cuánticos recién sintetizados exhibieron un rendimiento notable, con distintos picos excitónicos por encima de los 1.500 nm, un logro sin precedentes en comparación con las técnicas anteriores basadas en fosfina para la fabricación de puntos cuánticos.
Luego, los investigadores decidieron implementar los puntos cuánticos libres de fosfina obtenidos para fabricar un fotodetector simple a escala de laboratorio sobre el sustrato de vidrio estándar común recubierto de ITO (óxido de indio y estaño) para caracterizar los dispositivos y medir sus propiedades.
"Esos dispositivos a escala de laboratorio funcionan con luz brillante desde la parte inferior. Para las pilas CQD integradas con CMOS, la luz proviene de la parte superior, mientras que la parte inferior del dispositivo es captada por la electrónica CMOS", dijo Yongjie Wang, investigador postdoctoral del ICFO. y primer autor del estudio. "Entonces, el primer desafío que tuvimos que superar fue revertir la configuración del dispositivo. Un proceso que en teoría parece simple, pero que en realidad resultó ser una tarea desafiante".
Inicialmente, el fotodiodo mostró un bajo rendimiento en la detección de luz SWIR, lo que provocó un rediseño que incorporó una capa amortiguadora. Este ajuste mejoró significativamente el rendimiento del fotodetector, lo que dio como resultado un fotodiodo SWIR que exhibe un rango espectral de 350 nm a 1600 nm, un rango dinámico lineal superior a 118 dB, un ancho de banda de -3 dB superior a 110 kHz y una detectividad a temperatura ambiente del orden de 10 12 Jones.
"Hasta donde sabemos, los fotodiodos aquí presentados son, por primera vez, fotodiodos infrarrojos de onda corta no tóxicos, procesados en solución, con cifras de mérito a la par de otros homólogos que contienen metales pesados", Gerasimos Konstantatos, profesor ICREA en ICFO y menciona el autor principal del estudio.
"Estos resultados respaldan aún más el hecho de que Ag2 Los puntos cuánticos emergen como un material prometedor que cumple con RoHS para aplicaciones de fotodetectores SWIR de alto rendimiento y bajo costo."
Tras el exitoso desarrollo de este fotodetector basado en puntos cuánticos sin metales pesados, los investigadores fueron más allá y se asociaron con Qurv, una filial del ICFO, para demostrar su potencial mediante la construcción de un sensor de imagen SWIR como caso de estudio.
El equipo integró el nuevo fotodiodo con una matriz de plano focal (FPA) de circuito integrado de lectura (ROIC) basado en CMOS, demostrando por primera vez un sensor de imagen basado en puntos cuánticos SWIR de prueba de concepto, no tóxico y que funciona a temperatura ambiente. .
Los autores del estudio probaron el generador de imágenes para demostrar su funcionamiento en el SWIR tomando varias fotografías de un objeto objetivo. En particular, pudieron obtener imágenes de la transmisión de obleas de silicio bajo la luz SWIR, así como visualizar el contenido de botellas de plástico que eran opacas en el rango de luz visible.
"Acceder al SWIR con una tecnología de bajo coste para la electrónica de consumo liberará el potencial de esta gama espectral con una amplia gama de aplicaciones, incluidos sistemas de visión mejorados para la industria automovilística (automóviles), que permiten la visión y la conducción en condiciones climáticas adversas", afirma Gerasimos Konstantatos. .
"La banda SWIR de alrededor de 1,35 a 1,40 µm puede proporcionar una ventana segura para los ojos, libre de luz de fondo en condiciones de día/noche, lo que permite aún más la detección y alcance de luz de largo alcance (LiDAR), imágenes tridimensionales para automóviles, aumentadas Aplicaciones de realidad virtual y realidad."
Ahora los investigadores quieren aumentar el rendimiento de los fotodiodos diseñando la pila de capas que componen el dispositivo fotodetector. También quieren explorar nuevas químicas de superficie para el Ag2. Los puntos cuánticos para mejorar el rendimiento y la estabilidad térmica y ambiental del material en su camino hacia el mercado.
Más información: Wang, Y., Peng, L., Schreier, J. et al. Fotodetectores de imagen y sensores infrarrojos de punto cuántico coloidal de teluro de plata. Fotónica de la naturaleza . (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01345-3
Información de la revista: Fotónica de la naturaleza
Proporcionado por ICFO
