Esquema da estrutura do dispositivo do fototransistor híbrido QD / AOS. (A) Uma vista tridimensional esquemática de uma matriz de fototransistores. (B) Absorção óptica de QDs usados para fabricar os detectores full-color. (C) PbS QDs (diâmetro de 10 nm), CdSe QDs (7 nm de diâmetro), CdSe QDs (5 nm de diâmetro), e CdS QDs (3 nm de diâmetro) absorvem IR, vermelho, verde, e azul, respectivamente. (D) Imagem de impressão tridimensional do fototransistor e (E e F) imagens HRTEM em seção transversal correspondentes. Barras de escala, 50 nm (E) e 5 nm (F). a.u., unidades arbitrárias. Crédito da foto:Jaehyun Kim, Laboratório de pesquisa de monitores e dispositivos. Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Universidade Chung-Ang, Seul 06974, Coréia. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax8801
Fotodetectores de cores que podem converter luz em sinais elétricos sem filtros de cores sofisticados e ótica interferométrica ganharam atenção considerável para aplicações generalizadas. Contudo, desafios técnicos impediram os cientistas de combinar semicondutores multiespectrais e melhorar a eficiência de transferência de fótons para formar dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho na prática. Em um relatório recente sobre Avanços da Ciência , Jaehyun Kim e uma equipe de pesquisa em ciência e engenharia de materiais nos EUA e na Coréia, descreveu um fabricado a baixa temperatura (150 graus C), pixelizada bidimensionalmente (2-D), fotodetector full-color usando integração monolítica de pontos quânticos acoplados a semicondutores amorfos de óxido de índio-gálio-zinco.
Eles introduziram ligantes calcometalato quelante (combinação de metal sintético / semicondutor) para realizar com sucesso o transporte de portadores de carga altamente eficiente e padronização fina sem fotoresistor de camadas 2-D. Os constituintes mostraram fotodetectividade e fotorresposta extremamente altas em uma ampla faixa de comprimentos de onda. Com base nessas técnicas, a equipe de pesquisa implementou uma matriz de circuito fototransistor discriminável de comprimento de onda em uma plataforma suave semelhante à pele como uma abordagem versátil e escalonável para formar sensores de imagem espectral amplos e dispositivos biológicos orientados para humanos.
Os cientistas de materiais pretendem desenvolver fotodetectores interconectados de cores [variando do espectro ultravioleta (UV) ao infravermelho (IR)] projetados em uma plataforma macia parecida com a pele para coletar informações significativas do corpo humano e do ambiente circundante. Essas tecnologias terão aplicações como sensores de imagem neuromórficos, robótica suave e como monitores de saúde biológica. Em comparação com a fotodetecção de banda única ou estreita, A fotodetecção colorida 2-D em uma única plataforma é significativamente vantajosa para obter informações confiáveis e abrangentes. Para superar os desafios existentes de fabricação de dispositivos coloridos 2-D, pesquisadores já haviam desenvolvido fotodetectores com novos materiais fotossensíveis para formar arquiteturas de dispositivos para fotodetecção de banda larga. Estes incluem pontos quânticos coloidais, semicondutores de óxido amorfo (AOSs), semicondutores orgânicos, materiais perovskita e materiais 2-D, como grafeno e dichalcogenetos de metais de transição.
Embora os avanços anteriores sejam notáveis, eles normalmente incluíam um material absorvente de banda estreita com capacidade de ajuste de bandgap limitada e capacidade de discriminação de comprimento de onda limitada. Para superar limites, os pontos quânticos coloidais (QDs) ganharam atenção devido às suas características optoeletrônicas exclusivas, incluindo ampla sintonia de bandgap e coeficientes de absorção de luz aumentados. Mas eles permanecem raramente relatados durante aplicações de fotodetecção colorida altamente sensível.
Mecanismo optoeletrônico de um fototransistor QD. (A) Diagrama de bandas de ligantes de ácido oleico com base no dispositivo fototransistor mostrando o transporte de portadora limitada de CdSe QDs para a camada de canal a-IGZO. (B) Diagrama de banda do dispositivo de fototransistor baseado em ligantes SCN mostrando o aprisionamento de elétrons fotogerados e buracos entre CdSe QDs e as interfaces de camada de canal a-IGZO. (C) Diagrama de banda do dispositivo fototransistor baseado em ligantes Sn2S64 mostrando a fácil migração de elétrons fotogerados de CdSe QDs para uma camada de canal de IGZO e orifícios fotogerados presos na camada de QDs. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax8801
No novo estudo, Kim et al. desenvolveu uma abordagem versátil e escalonável de grande área para estender a largura de banda de detecção de um fotodetector de UV para IR. Os cientistas usaram a integração monolítica de QDs com transistores de película fina (TFTs) ou fototransistores amorfo de índio-gálio-zinco-óxido de zinco (a-IGZO) para implementar um circuito integrado de carga em pixel 2-D de baixa temperatura (CIC) matriz para discriminação de cores. Para alcançar fotodetectividade ultra-alta, eles introduziram um ligante calcometalato quelante com redução de armadilha e alto desempenho elétrico (ligante metálico e semicondutor combinado) para QDs (pontos quânticos). Kim et al. também obteve padronização de alta resolução de múltiplas camadas QD via fotopadronização direta e demonstrou seus fototransistores pixelizados para formar um tipo de pele, fotodetector bidimensional capaz de fotodetecção colorida dependente da posição.
A equipe de pesquisa conduziu duas estratégias para realizar a fotodetecção colorida com alta sensibilidade; primeiro, eles projetaram a arquitetura do fotodetector junto com um circuito in-pixel para alta sensibilidade. Eles então combinaram os QDs com uma camada ativa de a-IGZO (óxido de zinco-índio-gálio) para uma absorção de luz colorida e coleta de carga altamente eficiente. Eles projetaram o fotodetector QD / a-IGZO flexível em um substrato de poliimida (PI) ultrafino. Em seguida, usou microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução transversal (HRTEM) para confirmar o empilhamento de QDs na camada a-IGZO, ao lado da distribuição uniforme da camada QD. Para detectar toda a gama de cores, a equipe incluiu uma variedade de camadas QD com diferentes bandgaps na camada a-IGZO.
Os cientistas já haviam incorporado QDs semicondutores em vários dispositivos optoeletrônicos, mas o transporte de carga permaneceu frequentemente limitado por ligantes que conectam os QDs. Para aumentar a eficiência de transferência de carga do dispositivo, eles investigaram ligantes condutores, incluindo etanoditiol, tiocianato e ligantes atômicos. A presente equipe de pesquisadores escolheu Sn 2 S 6 4- como o sistema ideal de uma variedade de ligantes calcometalatos e SCN selecionados - QDs baseados em ligantes como referência - devido às amplas investigações sobre sua alta condutividade e mobilidade em dispositivos eletrônicos.
Propriedades interfaciais entre QDs e a camada do canal AOS. (A e B) Densidade espectral de potência de ruído de 7 nm CdSe QD / a-IGZO com fototransistores de ligante SCN− e Sn2S64−. (C e D) Varredura de imagem de fotocorrente (fonte 0 V por desvio de dreno) do fototransistor QD / a-IGZO com Sn2S64− e ligantes SCN−. Barras de escala, 5 μm. (E e F) Perfil de fotocorrente com um comprimento de onda do laser de 532 nm e uma potência de 0,45 μW ao longo da linha tracejada azul em (C) e (D). Crédito da foto:Jaehyun Kim, Laboratório de pesquisa de monitores e dispositivos. Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Universidade Chung-Ang, Seul 06974, Coréia. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax8801
Na configuração experimental, SCN - QDs limitados facilmente decompostos para formar lacunas de enxofre na superfície QD, impedindo a transferência de carga eficiente entre os QDs e a camada de canal a-IGZO. Comparativamente, o bidentado (doando dois pares de elétrons para um átomo de metal) Sn 2 S 6 4- ligantes tinham vacâncias mínimas de enxofre na superfície QD. Os elétrons fotogerados de Sn 2 S 6 4- Os QDs limitados, portanto, transferidos de forma eficiente para a banda de condução da camada de canal a-IGZO. Isso resultou em uma grande barreira de energia e coleção de carga com captura mínima para que os orifícios fotogerados permaneçam nos QDs ou próximos à interface QD / a-IGZO.
Os cientistas investigaram as características de resposta óptica dos fototransistores QD / a-IGZO com uma variedade de análises espectroscópicas, incluindo análise de ruído relacionado à armadilha interfacial e microscopia fotocorrente de varredura (SPCM). Eles observaram o SCN - fototransistores de seleneto de cádmio capeado (CdSe) para ter aproximadamente 10 3 vezes maior densidade de armadilha do que Sn 2 S 6 4- fototransistores CdSe QD / a-IGZO tampados. O Sn 2 S 6 4- fototransistor tampado exibiu um grande perfil de corrente Gaussiana com um processo dominado por fotovoltaico, enquanto o SCN - fototransistor tampado mostrou uma resposta fototermoelétrica clara. Como resultado, Kim et al. observou o nível de fotocorrente de Sn 2 S 6 4- dispositivos limitados sejam muito maiores do que SCN - dispositivos tampados, devido à transferência eficiente de elétrons fotogerados de CdSe QDs para a camada a-IGZO sem um problema de aprisionamento de portador de carga.
ESQUERDA:Desempenho optoeletrônico do fototransistor híbrido QD / AOS. Características de fotorresposta do fototransistor QD / a-IGZO com ligantes (A) Sn2S64− e (B) SCN−. (C) Fotossensibilidade (R) e (D) fotodetectividade (D *) sob luz branca (1,36 mW cm-2) e iluminação de banda larga (inserção). Intensidades de luz de UV, azul, verde, e o vermelho são 1 mW cm − 2, enquanto que para IR é 13,6 mW cm − 2 e para luz branca é 1,36 mW cm − 2. (E) EQE e (F) faixa dinâmica de 7 nm CdSe QD / a-IGZO com o ligante Sn2S64− (linha azul) e o ligante SCN− (linha vermelha) fototransistor. Crédito da foto:Jaehyun Kim, Laboratório de pesquisa de monitores e dispositivos. Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Universidade Chung-Ang, Seul 06974, Coréia. À DIREITA:Características de QDs de padrão fino. (A) Representação esquemática de QDs para projetar ligantes inorgânicos fotossensíveis. (B) Imagens ópticas e (C) de microscopia eletrônica de varredura aprimorada em campo (FESEM) de QDs CdSe padronizados tampados com ligantes Sn2S64−. (D) CdS QDs, (E) PbS QDs. Barras de escala, 100 μm (B), 5 μm (C), 20 μm (D), e 10 μm (E). (F e G) Imagem de varredura de microscopia de força atômica (AFM) e perfil de altura de CdSe QDs ao longo da linha tracejada azul. Barra de escala, 5 μm. Crédito da foto:Jaehyun Kim, Laboratório de pesquisa de monitores e dispositivos. Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Universidade Chung-Ang, Seul 06974, Coréia. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax8801
A equipe de pesquisa comparou a fotossensibilidade e fotodetetividade dos dois fototransistores sob luz branca e iluminação de banda larga para observar alta fotorresposta em Sn 2 S 6 4- fototransistores tampados. Eles creditaram o resultado ao ruído de cintilação extremamente baixo do dispositivo e alta condução e Sn reduzido por armadilha 2 S 6 4- ligantes de CdSe QDs. Kim et al. registrou posteriormente uma fotorresposta menor de 0,27 segundos a 90 milissegundos; suficiente para fotodetecção e aplicações de detecção de imagem.
Para garantir alta fotodetectividade e reduzir vazamentos de corrente nos dispositivos, eles padronizaram camadas QD de alta resolução usando um CMOS compatível, processo de fotopadronização direta. Usando imagens de microscopia eletrônica de varredura aprimorada de campo (FESEM) e microscopia de força atômica (AFM), os pesquisadores confirmaram a padronização clara das camadas QD com uma espessura de aproximadamente 17 nm. Depois de projetar um circuito de integração de carga (CIC) totalmente colorido (UV-para-IR) contendo camadas QD fotopadronizadas diretamente, eles usaram uma camada a-IGZO como um material de canal para controlar ou alternar e discriminar o comprimento de onda dos circuitos integrados. A configuração experimental permitiu a amplificação no pixel, detecção de cores e UV.
ESQUERDA:características da matriz CIC para discriminação de cores. (A) Diagrama esquemático de CIC e tabela lógica de detecção de sinal em cores em um pixel. (B) Micrografia óptica dos QDs parcialmente padronizados, incluindo IR PbS (T1, 10 nm), CdSe vermelho (T2, 7 nm), CdSe verde (T3, 5 nm), e CdS azul (T4, 3 nm) e fototransistores a-IGZO nus e o esquema do circuito de amplificação. RTN é a resistência do canal de TFTs de carga (T1 a T4), e RT6 é a resistência do canal do driver TFT (T6). Aqui, largura / comprimento do canal são 100/50 μm (carga TFTs), 200/10 μm (T5), e 5/200 μm (T6). Barra de escala, 50 μm. (C a G) Características de fotorresposta de T1, T2, T3, T4, e T5 / T6 em relação ao comprimento de onda da luz. (H) Corrente de saída do fotodetector colorido de cinco canais. (I) Discriminação de luz mista. Intensidades de luz de UV, azul, verde, e o vermelho são 1 mW cm − 2, enquanto que para IR é de 13,6 mW cm − 2. Para amarelo, vermelho (0,5 mW cm − 2) e verde (0,5 mW cm − 2) foram misturados, e para ciano, verde (0,5 mW cm − 2) e azul (0,5 mW cm − 2) foram misturados. Crédito da foto:Jaehyun Kim, Laboratório de pesquisa de monitores e dispositivos. Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Universidade Chung-Ang, Seul 06974, Coréia. À DIREITA:Aplicativos de mapeamento bidimensional em cores. (A) Ilustração esquemática da matriz 10 por 10 CIC. (B) Micrografia óptica do arranjo 10 por 10 CIC em um substrato PI ultrafino e o esquema de circuito associado (direita). Barras de escala, 1 mm e 300 μm (inserção). (C) Perfil de intensidade relevante reconstruído a partir do mapeamento de corrente de saída da matriz 10 por 10 CIC em um substrato PI ultrafino em relação ao comprimento de onda da luz [IR (1310 nm), R (638 nm), G (520 nm), B (406 nm), e UV (365 nm)]. Intensidades de luz de UV, azul, verde, e o vermelho são 1 mW cm − 2, enquanto que para IR é de 13,6 mW cm − 2. Barra de escala, 3 mm. (D) Imagens de mapeamento bidimensional em forma de faixa e redondo com iluminação de luz branca (lâmpada halógena com 1,36 mW cm − 2). Barra de escala, 3 mm. (E) Fotografia do sistema de monitoramento de saúde flexível do tipo banda, composto por quatro fontes de luz e matrizes de circuitos baseados em fototransistores (CIC) anexados na ponta de um dedo indicador. (F) Imagens de mapeamento biológico bidimensional em cores da ponta do dedo humano em relação ao comprimento de onda da luz. Intensidades de luz de azul, verde, e o vermelho são 3 mW cm − 2, enquanto que para IR é de 13,6 mW cm − 2. Cada luz é colocada no dedo do sujeito, e a luz transmitida é coletada com o arranjo CIC baseado em fototransistor colocado abaixo do dedo. Crédito da foto:Jaehyun Kim, Laboratório de pesquisa de monitores e dispositivos. Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Universidade Chung-Ang, Seul 06974, Coréia. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax8801
Para demonstrar as possíveis aplicações da plataforma fotodetectora colorida semelhante à pele, Kim et al. preparou uma matriz fotodetectora QD / a-IGZO multiplexada 10 x 10 em um substrato PI (poliimida) e adquiriu uma grande quantidade de dados dependentes do comprimento de onda. A equipe 2-D mapeou a corrente de saída obtida a partir da matriz fotodetectora sob iluminação de cinco fontes de luz diferentes (infravermelho, vermelho, verde, azul e UV), onde a maioria dos pixels mostrou distribuição de corrente espacialmente uniforme para as fontes de luz correspondentes. Kim et al. em seguida, usou o dispositivo para aplicações biológicas e monitorou os níveis de saturação de oxigênio no sangue no dedo indicador medindo vários comprimentos de onda de luz através dos vasos sanguíneos capilares. Os dados de mapa 2-D resultantes para diversas fontes de luz mostraram transmitância específica dependendo do comprimento de onda. Os resultados podem levar a avanços críticos de diagnósticos mais confiáveis e precisos em sistemas de monitoramento de saúde.
Desta maneira, Jaehyun Kim e colegas apresentaram produtos fabricados em baixa temperatura, diversos fototransistores baseados em QD e seus arranjos CIC in-pixel para superar os sensores convencionais baseados em fotodiodo. Os dispositivos resolveram os limites existentes de fotodetectores flexíveis de última geração para fotodetecção colorida de UV a IV para alta confiabilidade, Fotodetecção 2-D. O potencial de discriminação de comprimento de onda do dispositivo pode abrir novas perspectivas para dispositivos fotodetectivos e eletrônicos. De forma similar, os ligantes calcometalatos quelantes fotossensíveis e altamente condutores transferiram perfeitamente elétrons fotogenerados para uma camada semicondutora ativa, sem captura de elétrons para fotossensibilidade e fotodetecção extremamente altas. As plataformas podem ser incorporadas para projetar uma rota fácil para uma variedade de aplicações de bioimagem.
© 2019 Science X Network
