Les photodétecteurs polychromes capables de convertir la lumière en signaux électriques sans filtres de couleur sophistiqués et sans optique interférométrique ont suscité une attention considérable pour des applications répandues. Cependant, des défis techniques ont empêché les scientifiques de combiner des semi-conducteurs multispectraux et d'améliorer l'efficacité du transfert de photons pour former des dispositifs optoélectroniques hautes performances dans la pratique. Dans un récent rapport sur Avancées scientifiques , Jaehyun Kim et une équipe de recherche en science et ingénierie des matériaux aux États-Unis et en Corée, décrit une fabrication à basse température (150 degrés C), pixelisé en deux dimensions (2-D), photodétecteur polychrome utilisant l'intégration monolithique de points quantiques couplés à des semi-conducteurs amorphes d'oxyde d'indium-gallium-zinc.

Ils ont introduit des ligands chélateurs de chalcométallate (métal synthétique/semi-conducteur combiné) pour réaliser avec succès un transport de porteurs de charge très efficace et une structuration fine sans photorésistance des couches 2D. Les constituants ont montré une photodétectivité et une photoréactivité extrêmement élevées sur une large gamme de longueurs d'onde. Sur la base de ces techniques, l'équipe de recherche a mis en œuvre un réseau de circuits de phototransistors discriminant en longueur d'onde sur une plate-forme souple semblable à une peau comme approche polyvalente et évolutive pour former des capteurs d'images spectrales larges et des dispositifs biologiques orientés vers l'homme.

Les scientifiques des matériaux visent à développer des photodétecteurs polychromes interconnectés [allant du spectre ultraviolet (UV) à l'infrarouge (IR)] conçus sur une plate-forme souple semblable à la peau pour collecter des informations significatives sur le corps humain et l'environnement environnant. De telles technologies auront des applications en tant que capteurs d'images neuromorphiques, robotique douce et comme moniteurs de santé biologique. Par rapport à la photodétection à bande simple ou étroite, La photodétection couleur 2D sur une seule plate-forme est très avantageuse pour obtenir des informations fiables et complètes. Pour surmonter les défis existants de la fabrication d'appareils en couleur 2D, les chercheurs avaient précédemment développé des photodétecteurs avec de nouveaux matériaux de photodétection pour former des architectures de dispositifs pour la photodétection à large bande. Il s'agit notamment des points quantiques colloïdaux, semi-conducteurs à oxyde amorphe (AOS), semi-conducteurs organiques, les matériaux pérovskites et les matériaux 2-D tels que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition.

Bien que les avancées précédentes soient notables, ils comprenaient généralement un matériau absorbant à bande étroite avec une capacité d'accord de bande interdite limitée et une capacité de discrimination de longueur d'onde limitée. Pour dépasser les limites, Les points quantiques colloïdaux (QD) ont attiré l'attention en raison de leurs caractéristiques optoélectroniques uniques, notamment une large bande interdite et des coefficients d'absorption de la lumière accrus. Mais ils restent rarement signalés lors d'applications de photodétection couleur très sensible.

Dans la nouvelle étude, Kim et al. a développé une approche évolutive polyvalente et à grande surface pour étendre la bande passante de détection d'un photodétecteur de l'UV à l'IR. Les scientifiques ont utilisé l'intégration monolithique de QD avec des transistors à couche mince (TFT) ou des phototransistors amorphes à base d'oxyde d'indium-gallium-zinc (a-IGZO) pour mettre en œuvre un circuit d'intégration de charge en pixels 2D à basse température (CIC) tableau pour la discrimination des couleurs. Pour obtenir une photodétection ultra-élevée, ils ont introduit un ligand chalcométallate chélatant à haute performance électrique et à piégeage réduit (ligand métallique et semi-conducteur combiné) pour les QD (points quantiques). Kim et al. ont également obtenu une structuration haute résolution de plusieurs couches QD via un photopatterning direct et ont démontré leurs phototransistors pixelisés pour former une peau, photodétecteur bidimensionnel capable de photodétection couleur en fonction de la position.

L'équipe de recherche a mené deux stratégies pour réaliser une photodétection en couleur avec une sensibilité élevée; ils ont d'abord conçu l'architecture du photodétecteur avec un circuit intégré aux pixels pour une sensibilité élevée. Ils ont ensuite combiné les QD avec une couche active a-IGZO (oxyde d'indium-gallium-zinc) pour une absorption de la lumière en couleur et une collecte de charge très efficace. Ils ont conçu le photodétecteur flexible QD/a-IGZO sur un substrat ultrafin en polyimide (PI). Ensuite, nous avons utilisé la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) en coupe transversale pour confirmer l'empilement des QD sur la couche a-IGZO, parallèlement à une distribution uniforme de la couche QD. Pour détecter toute la gamme de couleurs, l'équipe a inclus une variété de couches QD avec différentes bandes interdites sur la couche a-IGZO.

Les scientifiques avaient déjà intégré des QD semi-conducteurs dans plusieurs dispositifs optoélectroniques, mais le transport de charge restait fréquemment limité par des ligands reliant les QDs. Pour améliorer l'efficacité de transfert de charge de l'appareil, ils ont étudié des ligands conducteurs, notamment l'éthanedithiol, thiocyanate et ligands atomiques. L'équipe de chercheurs actuelle a choisi Sn 2 S 6 ^4- comme système idéal à partir d'une variété de ligands chalcométallates et de SCN sélectionnés ^- QD à base de ligand comme référence, en raison de vastes recherches sur leur conductivité et leur mobilité élevées dans les appareils électroniques.

Dans le montage expérimental, RCS ^- les QD bouchés se décomposent facilement pour former des lacunes de soufre à la surface du QD, empêchant un transfert de charge efficace entre les QD et la couche de canal a-IGZO. Relativement, le bidenté (donner deux paires d'électrons à un atome de métal) Sn 2 S 6 ^4- les ligands avaient des lacunes de soufre minimales sur la surface QD. Les électrons photogénérés à partir de Sn 2 S 6 ^4- Les QD coiffés sont donc efficacement transférés dans la bande de conduction de la couche de canal a-IGZO. Cela a entraîné une grande barrière d'énergie et une collection de charges avec un piégeage minimal pour que les trous photogénérés restent dans les QD ou près de l'interface QD/a-IGZO.

Les scientifiques ont étudié les caractéristiques de réponse optique des phototransistors QD/a-IGZO avec une variété d'analyses spectroscopiques, y compris l'analyse du bruit lié au piège interfacial et la microscopie à photocourant à balayage (SPCM). Ils ont noté que le SCN ^- phototransistors plafonnés au séléniure de cadmium (CdSe) pour avoir environ 10 ³ densité de pièges fois plus élevée que Sn 2 S 6 ^4- phototransistors CdSe QD/a-IGZO coiffés. Le Sn 2 S 6 ^4- le phototransistor coiffé présentait un profil de courant gaussien important avec un processus dominé par le photovoltaïque, alors que le SCN ^- phototransistor coiffé a montré une réponse photothermoélectrique claire. Par conséquent, Kim et al. observé le niveau de photocourant de Sn 2 S 6 ^4- les appareils plafonnés sont beaucoup plus élevés que le SCN ^- appareils plafonnés, en raison du transfert efficace des électrons photogénérés des QD CdSe vers la couche a-IGZO sans problème de piégeage des porteurs de charge.

L'équipe de recherche a comparé la photosensibilité et la photodétection des deux phototransistors sous lumière blanche et éclairage à large bande pour observer une photoréponse élevée dans Sn 2 S 6 ^4- phototransistors bouchés. Ils ont attribué le résultat au bruit de scintillement extrêmement faible de l'appareil et au Sn hautement conducteur et réduit au piège. 2 S 6 ^4- ligands des QDs CdSe. Kim et al. a en outre enregistré une photoréponse plus petite de 0,27 seconde à 90 millisecondes ; suffisant pour les applications de photodétection et de détection d'images.

Pour garantir une photodétection élevée et réduire les fuites de courant dans les appareils, ils ont modelé des couches QD haute résolution à l'aide d'un CMOS compatible, processus de photopatterning direct. En utilisant des images de microscopie électronique à balayage à champ amélioré (FESEM) et de microscopie à force atomique (AFM), les chercheurs ont confirmé la structuration claire des couches QD avec une épaisseur d'environ 17 nm. Après avoir conçu un circuit d'intégration de charge (CIC) en couleur (UV-à-IR) contenant des couches QD directement photostructurées, ils ont utilisé une couche a-IGZO comme matériau de canal pour contrôler ou commuter et discriminer en longueur d'onde les circuits intégrés. Le montage expérimental a permis une amplification in-pixel, détection couleur et UV.

Pour démontrer les applications possibles de la plate-forme de photodétecteur en couleur semblable à la peau, Kim et al. préparé une matrice de photodétecteurs QD/a-IGZO multiplexés 10 x 10 sur un substrat PI (polyimide) et acquis une grande quantité de données dépendantes de la longueur d'onde. L'équipe 2-D a cartographié le courant de sortie obtenu à partir du réseau de photodétecteurs sous l'éclairage de cinq sources lumineuses différentes (infrarouge, rouge, vert, bleu et UV), où la plupart des pixels présentaient une distribution de courant spatialement uniforme vers les sources de lumière correspondantes. Kim et al. ensuite utilisé l'appareil pour des applications biologiques et surveillé les niveaux de saturation en oxygène du sang dans l'index en mesurant diverses longueurs d'onde de lumière à travers les vaisseaux sanguins capillaires. Les données cartographiques 2D résultantes pour diverses sources lumineuses ont montré une transmittance spécifique en fonction de la longueur d'onde. Les résultats peuvent conduire à l'avancement critique de diagnostics plus fiables et plus précis dans les systèmes de surveillance de la santé.

De cette façon, Jaehyun Kim et ses collègues ont présenté des produits fabriqués à basse température, divers phototransistors basés sur QD et leurs matrices CIC en pixels pour surpasser les capteurs conventionnels basés sur des photodiodes. Les appareils ont résolu les limites existantes des photodétecteurs flexibles à la pointe de la technologie pour une photodétection en couleur de l'UV à l'IR pour une fiabilité, Photodétection 2D. Le potentiel de discrimination de longueur d'onde du dispositif peut ouvrir de nouvelles perspectives pour les dispositifs de photodétection et l'électronique. De la même manière, les ligands chalcométallates photosensibles et hautement conducteurs transfèrent parfaitement les électrons photogénérés à une couche semi-conductrice active, sans piégeage d'électrons pour une photosensibilité et une photodétection extrêmement élevées. Les plates-formes peuvent être intégrées pour concevoir un itinéraire facile pour une variété d'applications de bio-imagerie.

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