Wissenschaftler erschaffen ungiftige Quantenpunkte für Kurzwellen-Infrarot-Bildsensoren

Kurzwellen-Infrarot-Lichtsensoren (SWIR) sind in einer Vielzahl von Anwendungen wünschenswert, insbesondere in den Bereichen Servicerobotik, Automobil und Unterhaltungselektronik. SWIR-abstimmbare kolloidale Quantenpunkte sind für solche Sensoren vielversprechend, da sie leicht in CMOS integriert werden können, ihre breite Markteinführung wird jedoch durch die Tatsache behindert, dass die meisten von ihnen giftige Schwermetalle wie Blei oder Quecksilber enthalten. Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern Quantenpunkte aus ungiftigen Materialien hergestellt und sie in einem Fotodetektor im Labormaßstab getestet, so einer der Forscher. Aktuelles Papier Veröffentlicht in Nature Photonics.

„SWIR-Licht für die Erfassung und Bildgebung ist aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften von größter Bedeutung“, schreiben die Autoren. „Es ist sicher für die Augen; es kann Nebel, Dunst und andere Wetterbedingungen durchdringen und ermöglicht die Bildgebung unter widrigen Wetterbedingungen für Automobil-, Umwelt- und Fernerkundungsanwendungen; das Vorhandensein von Nachtlicht bei Nacht im SWIR-Bereich ermöglicht passive Nachtsicht; und optische Bildgebung in Kombination mit Infrarotspektroskopie ermöglicht unter anderem maschinelles Sehen, Bioimaging sowie Lebensmittel- und Prozessqualitätsprüfung.“

Wie bereits erwähnt, ist ein Quantenpunkt ein kleines Halbleiterkorn mit einem Durchmesser von einigen zehn Atomen. Auf einen Stecknadelkopf können Milliarden von Dollar gesteckt werden, und je kleiner, desto besser. In diesen kleinen Maßstäben treten Quanteneffekte in Kraft und verleihen den Punkten überlegene elektrische und optische Eigenschaften. Sie leuchten hell, wenn Licht auf sie fällt, und die Farbe dieses Lichts wird durch die Größe der Quantenpunkte bestimmt. Größere Punkte geben rötlicheres Licht ab; Kleine Punkte strahlen blaueres Licht aus. Sie können Quantenpunkte also einfach durch Ändern ihrer Größe an bestimmte Lichtfrequenzen anpassen.

Quantenpunkte, die einst für unmöglich gehalten wurden, sind unter anderem zu einer beliebten Komponente in Computermonitoren, Fernsehbildschirmen und LEDs geworden. Quantenpunkte ermöglichen es Fernsehherstellern beispielsweise, die emittierten Farben zu optimieren und so präzisere Farben über einen größeren Bereich zu erzeugen, und das alles bei geringerem Stromverbrauch. Es ist nützlich als Ersatz Organische Farbstoffe, die zur Markierung reaktiver Wirkstoffe in Biosensoren auf Fluoreszenzbasis verwendet werden, wurden in Glasfenster eingearbeitet, um diese Fenster im Wesentlichen in Photovoltaikzellen umzuwandeln und möglicherweise kleine Mengen Sonnenenergie zu gewinnen, um die Energiekosten zu Hause auszugleichen.

Im Jahr 2013 bauten deutsche Physiker… Empirische Gleichung Maxwells Dämon mit einem Paar interagierender Quantenpunkte. Im Jahr 2015 Wissenschaftler Quanten-Pipi-Punkte erzeugen. Aus recyceltem Urin und zur Abbildung lebenswichtiger Mauszellen verwendet. Zukünftige Anwendungen könnten die Integration von Quantenpunkten in flexible Elektronik, kleine Sensoren und Solarzellen oder deren Verwendung in verschlüsselten Quantenkommunikationssystemen umfassen.

Die Autoren dieses neuesten Artikels stammen vom Barcelona Institute of Science and Technology (BIST) und Corve Technologies in Spanien. Das BIST-Team suchte nach Möglichkeiten, Nanokristalle aus Silberwismuttellurid für Photovoltaikgeräte herzustellen und stellte fest, dass Silbertellurid eines der Nebenprodukte war. Silbertellurid hatte ideale Eigenschaften für kolloidale Quantenpunkte, vor allem die Abstimmbarkeit. Also änderte das Team den Kurs und entwickelte ein Verfahren zur Herstellung von Quantenpunkten aus Silbertellurid.

Die resultierenden Quantenpunkte hatten eine gute Größenverteilung und waren über einen weiten Spektralbereich, einschließlich SWIR, abstimmbar. Der nächste Schritt bestand darin, diese Quantenpunkte in einen Fotodetektor im Labormaßstab zu integrieren. Es war eine Herausforderung, von einem typischen Geräteaufbau abzuweichen, da eines der Geräte bei den meisten Geräten im Labormaßstab Licht von unten ausstrahlt, während CMOS-integrierte CQD-Kits ein helles Licht von oben haben und sich die CMOS-Elektronik unten befindet. Der erste Versuch war nur mäßig erfolgreich, da die resultierende Photodiode im SWIR-Bereich nicht die erwartete Leistung erbrachte.

Um das Problem zu beheben, haben BIST-Forscher den Sensor mit einer zusätzlichen Isolierschicht neu gestaltet und so einen effektiveren SWIR-Sensor geschaffen. Anschließend arbeiteten sie mit Korf-Wissenschaftlern zusammen, um einen Proof-of-Concept-SWIR-Bildsensor aus ungiftigen Quantenpunkten zu entwickeln, der bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Sie konnten Bilder von sich bewegenden Siliziumwafern unter SWIR-Licht machen und unter sichtbarem Licht in undurchsichtige Plastikflaschen schauen. Der nächste Schritt besteht darin, das Schichtarray neu zu gestalten, um die Leistung der Fotodiode zu verbessern und andere Oberflächenchemien zu untersuchen.

Natürliche Photonik, 2024. DOI: 10.1038/s41566-023-01345-3 (Über digitale IDs).