Oamenii de știință creează puncte cuantice netoxice pentru senzorii de imagine în infraroșu cu unde scurte

Senzorii de lumină în infraroșu cu undă scurtă (SWIR) sunt de dorit într-o gamă largă de aplicații, în special în sectoarele roboticii de service, auto și electronice de larg consum. Punctele cuantice coloidale reglabile prin SWIR sunt promițătoare pentru astfel de senzori, deoarece pot fi integrati cu ușurință în CMOS, dar utilizarea lor pe scară largă pe piață este împiedicată de faptul că majoritatea conțin metale grele toxice, cum ar fi plumbul sau mercurul. Acum, o echipă de oameni de știință a fabricat puncte cuantice din materiale netoxice și le-a testat într-un fotodetector la scară de laborator, potrivit unuia dintre cercetători. Hârtie recentă Publicat în Nature Photonics.

„Lumina SWIR pentru detectarea și imagistica este de o importanță capitală datorită proprietăților sale unice”, au scris autorii. „Este sigur pentru ochi; poate pătrunde în ceață, ceață și în alte condiții meteorologice, permițând imaginea în condiții meteorologice nefavorabile pentru aplicații auto, de detectare a mediului și de teledetecție; prezența strălucirii nopții pe timp de noapte în gama SWIR permite vizualizarea pasivă pe timp de noapte; și imagistica optică combinată cu spectroscopia în infraroșu permite viziunea artificială, bioimaging și inspecția calității alimentelor și proceselor”, printre alte aplicații.

După cum am menționat mai devreme, un punct cuantic este un semiconductor mic, cu un diametru de câteva zeci de atomi. Pe capul unui ac pot fi puse miliarde de dolari și cu cât este mai mic, cu atât mai bine. La acele scale mici, efectele cuantice intervin și conferă punctelor proprietăți electrice și optice superioare. Ele strălucesc puternic atunci când lumina este strălucită asupra lor, iar culoarea acestei lumini este determinată de dimensiunea punctelor cuantice. Punctele mai mari emit lumină mai roșie; Punctele mici emit lumină mai albastră. Deci, puteți adapta punctele cuantice la frecvențe specifice ale luminii doar schimbându-le dimensiunea.

Odată considerate imposibil de realizat, punctele cuantice au devenit o componentă populară în monitoarele computerelor, ecranele de televiziune și LED-urile, printre alte utilizări. De exemplu, punctele cuantice permit producătorilor de televizoare să ajusteze culorile emise, producând culori mai precise într-o gamă mai largă, toate în timp ce folosesc mai puțină energie electrică. Este util ca substitui Coloranții organici folosiți pentru a marca agenții reactivi în biosenzorii fluorescenți au fost încorporați în ferestrele din sticlă pentru a transforma, în esență, acele ferestre în celule fotovoltaice, potențial recoltând cantități mici de energie solară pentru a compensa costurile cu energia de acasă.

În 2013, fizicienii germani au construit… Ec. empirică Demonul lui Maxwell cu o pereche de puncte cuantice care interacționează. În 2015, oamenii de știință A face „bulinete pipi” cuantice. Din urină reciclată și folosit pentru imaginea celulelor vitale de șoarece. Aplicațiile viitoare pot include încorporarea punctelor cuantice în electronice flexibile, senzori mici și celule solare sau utilizarea lor în sisteme de comunicații cuantice criptate.

Autorii acestei ultime lucrări provin de la Institutul de Știință și Tehnologie din Barcelona (BIST) și Corve Technologies din Spania. Echipa BIST a căutat modalități de a fabrica nanocristale de telurură de argint de bismut pentru dispozitive fotovoltaice și a observat că telurura de argint este unul dintre produse secundare. Telurura de argint a avut proprietăți ideale pentru punctele cuantice coloidale, în special tunabilitatea. Așa că echipa și-a schimbat direcția și a dezvoltat un proces pentru a face puncte cuantice din telurura de argint.

Punctele cuantice rezultate au avut o distribuție bună a dimensiunilor și au fost reglabile pe o gamă spectrală largă, inclusiv SWIR. Următorul pas a fost să integrăm acele puncte cuantice într-un fotodetector la scară de laborator. Renunțarea la o configurație tipică a dispozitivului a fost o provocare, deoarece unul dintre dispozitive strălucește lumina din partea de jos a majorității dispozitivelor la scară de laborator, în timp ce kiturile CQD integrate în CMOS includ o lumină puternică din partea de sus, cu electronica CMOS în partea de jos. Prima încercare a avut un succes moderat, deoarece fotodioda rezultată nu a funcționat conform așteptărilor în domeniul SWIR.

Cercetătorii BIST au reproiectat senzorul cu un strat izolator suplimentar pentru a rezolva problema, producând un senzor SWIR mai eficient. Apoi au colaborat cu oamenii de știință Korf pentru a construi un senzor de imagine SWIR, dovadă de concept, realizat din puncte cuantice netoxice, operabile la temperatura camerei. Ei au reușit să ia imagini cu plachete de siliciu în mișcare sub lumina SWIR și să privească în interiorul sticlelor de plastic opace sub lumină vizibilă. Următorul pas este reproiectarea matricei de straturi pentru a îmbunătăți performanța fotodiodei, precum și a explora alte elemente chimice ale suprafeței.

Fotonica naturală, 2024. DOI: 10.1038/s41566-023-01345-3 (Despre ID-urile digitale).