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

Senzorii de lumină infraroșu cu undă scurtă (SWIR) sunt de dorit într-o gamă largă de aplicații, în special în sectoarele roboticei de service, auto și electronice de larg consum. Punctele cuantice coloidale reglate la SWIR sunt promițătoare pentru astfel de senzori, deoarece pot fi integrați cu ușurință în CMOS, dar utilizarea lor pe piața de masă a fost îngreunată de faptul că majoritatea conțin metale grele toxice precum plumbul sau mercurul. Acum, o echipă de oameni de știință a fabricat puncte cuantice din materiale netoxice și le-a testat într-un fotodetector fabricat la scară de laborator, potrivit unui lucrare recentă publicat în revista Nature Photonics.

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

La fel de raportate anteriorA punct cuantic este o sferă semiconductoare mică de câteva zeci de atomi în diametru. Miliarde ar putea încăpea pe capul unui ac și cu cât le puteți face mai mici, cu atât mai bine. La acele scale mici, efectele cuantice intervin și conferă punctelor proprietăți electrice și optice superioare. Ele strălucesc puternic atunci când sunt supuse luminii, iar culoarea acelei lumini este determinată de dimensiunea punctelor cuantice. Punctele mai mari emit lumină mai roșie; punctele mai 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 comună în monitoarele computerelor, ecranele TV și lămpile cu LED-uri, printre alte utilizări. De exemplu, punctele cuantice permit producătorilor de televizoare să ajusteze cu precizie culorile emise, producând nuanțe mai precise într-o gamă mai largă, toate în timp ce folosesc mai puțină energie electrică. Sunt utile ca o alternativa la coloranții organici utilizați pentru a marca agenții reactivi în biosenzorii pe bază de fluorescență și au fost încorporați în ferestre de sticlă pentru a transforma, în esență, acele ferestre în fotovoltaice, potențial recoltând cantități mici de energie solară pentru a compensa costurile cu energia de acasă.

În 2013, fizicienii germani au construit echivalent experimental a demonului lui Maxwell cu o pereche de puncte cuantice care interacționează. În 2015, oamenii de știință a făcut „pee-dots” cuantice din urina reciclată și le-a folosit pentru a bio-imagini celulele de șoarece. Aplicațiile viitoare ar putea 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 Qurv Technologies din Spania. Echipa BIST a căutat modalități de a sintetiza 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 a schimbat cursul și a dezvoltat un proces de realizare a punctelor cuantice cu telururi 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 încorporăm acele puncte cuantice într-un fotodetector la scară de laborator. A fost o provocare să revenim la configurația obișnuită a dispozitivului, deoarece unul strălucește lumina din partea de jos a majorității dispozitivelor la scară de laborator, în timp ce stivele CQD integrate în CMOS implică lumină strălucitoare din partea de sus, cu electronica CMOS în partea de jos. Prima încercare a avut un succes moderat, deoarece fotodioda rezultată nu a funcționat la fel de bine cum era de așteptat în domeniul SWIR.

Cercetătorii BIST au reproiectat senzorul cu un strat tampon suplimentar pentru a remedia problema, rezultând un senzor SWIR mult mai eficient. Apoi au colaborat cu oamenii de știință Qurv pentru a construi un senzor de imagine SWIR, dovadă de concept, realizat din puncte cuantice netoxice, operabile la temperatura camerei. Ei au reușit să captureze imagini ale transmisiei plachetei de siliciu sub lumina SWIR și să privească în interiorul sticlelor de plastic care sunt opace la lumina vizibilă. Următorul pas este reproiectarea stivei de straturi pentru a îmbunătăți și mai mult performanța fotodiodei, precum și explorarea altor chimie de suprafață.

Fotonica naturii, 2024. DOI: 10.1038/s41566-023-01345-3 (Despre DOI).