Fotodetectores são os dispositivos que convertem informações transportadas pela luz em um sinal elétrico que pode ser processado por circuitos eletrônicos e computadores. Eles são encontrados em dispositivos do dia a dia, como controles remotos de televisão e sensores de movimento, e eles são um componente chave em muitas tecnologias de inteligência artificial e Internet das Coisas (IoT). Mas o maior, e o mercado de crescimento mais rápido para eles está em data centers e telecomunicações - onde dezenas de milhões deles são implantados a cada ano para acomodar as crescentes demandas de armazenamento de nossa tecnologia de computação.

O crescimento dessas indústrias tornou o fotodetector um produto de alta demanda, mas sua fabricação requer materiais caros, como ouro e titânio, e condições altamente controladas produzidas por equipamentos de capital intensivo com altos custos de manutenção.

Pesquisadores da Universidade Drexel relataram recentemente sobre uma nova maneira de fazer os sensores, usando um tipo de material bidimensional chamado MXene, que melhora sua sensibilidade e reduz substancialmente os custos de produção.

Em sua pesquisa, que foi recentemente publicado no jornal Materiais avançados , o grupo mostra como a substituição do ouro por uma camada translúcida e fina de material MXene pode tornar possível aumentar a escala do processo de produção de fotodetectores e produzir sensores que são superiores ao atual padrão ouro.

"Este é um desenvolvimento importante porque a demanda mundial por fotodetores deve chegar a US $ 2 bilhões até o ano de 2024, portanto, há uma necessidade urgente de ampliar o processo e encontrar materiais mais sustentáveis ​​para usar como componentes, "disse Pouya Dianat, Ph.D., professor assistente de pesquisa na Drexel's College of Engineering e co-autor do artigo.

Os fotodetectores transformam a radiação luminosa em corrente elétrica. Eles normalmente usam ouro como seu material de contato para conectar o material do detector ao resto do circuito porque ele é altamente condutor. Esses detectores são cada vez mais comuns em uma variedade de aplicações que requerem a transmissão rápida de volumes de dados, como montagem automatizada, sistemas de embalagem e entrega que estão crescendo para acomodar a explosão das compras online. Racks gigantescos deles são usados ​​em data centers do tamanho de depósitos para transmitir informações através dos edifícios que podem abranger a área de quatro campos de futebol.

Porque MXenes, que são materiais bidimensionais em camadas finas, são versáteis o suficiente para permanecerem altamente condutores quando aplicados em uma variedade de formas - de tinta spray, para o barro, à tinta - eles surgiram como um candidato atraente para uso, em forma de filme transparente, como eletrodos em fotodetectores.

“Um dos maiores desafios da fabricação de fotodetectores é a deposição de contatos de ouro. Além do custo do próprio ouro, o processo de fabricação deve ser realizado em alta temperatura e em câmara de vácuo, o que também é bastante caro, "disse Kiana Montazeri, pesquisador doutorado e autor principal do artigo. "Estamos substituindo ouro por MXenes, que são materiais menos caros, e produzir os componentes fotodetectores depositando-os em condições ambientais usando um girador de mesa. "

Este processo de deposição de filme fino, funciona algo como colocar uma gota de tinta em uma centrífuga e, em seguida, descascar o respingo resultante da parede. Como um processo relativamente simples que pode ser realizado em condições atmosféricas normais em um substrato padronizado, ele pode ser facilmente ampliado para fotodetectores MXene de produção em massa.

A sensibilidade dos fotodetectores está ligada à área de superfície do material fotossensível. Embora sensores maiores sejam mais desejáveis, seu tamanho também requer mais potência óptica para operar, e faz com que a resposta seja lenta. Porque eles são condutores, Os filmes MXene podem ser usados ​​em vários componentes dos sensores, transformando assim quase toda a superfície do dispositivo em uma área de detecção, sem diminuir sua eficiência energética ou desempenho.

"O interesse em MXenes explodiu recentemente por uma série de razões, o principal deles é que podem ser misturados com água para fazer sprays e tintas, embora permaneçam bastante condutores, "disse Bahram Nabet, Ph.D., professor da Faculdade de Engenharia de Drexel e co-autor do artigo "Usar filme MXene transparente como contatos em fotodetectores oferece uma vantagem óbvia, pois atenua o equilíbrio entre a distância de trânsito da transportadora e a responsividade".

No artigo, os pesquisadores relatam que os fotodetectores de filme MXene que eles criaram tiveram um desempenho cerca de quatro vezes melhor - em termos de sensibilidade - do que os dispositivos atuais feitos de ouro. Isso significa que eles podem ser usados ​​para tornar os data centers muito mais eficientes em termos de energia.

"A próxima etapa deste trabalho é continuar a padronizar o processo de produção e desenvolver métodos para estabilizar os componentes do MXene para uso em uma variedade de ambientes e condições, "disse Michel Barsoum, Ph.D., Professor ilustre da Faculdade de Engenharia. "Esperamos que esta descoberta abra a porta para o uso do MXene em uma ampla variedade de dispositivos optoeletrônicos, como foto-diodos e foto-transistores, bem como em tecnologias habilitadoras, como microeletrônica, circuitos integrados fotônicos e fotônicos de silício. "