As câmeras digitais, bem como muitos outros dispositivos eletrônicos, precisam de sensores sensíveis à luz. A fim de atender à crescente demanda por componentes optoeletrônicos deste tipo, a indústria está em busca de novos materiais semicondutores. Eles não devem apenas cobrir uma ampla faixa de comprimentos de onda, mas também devem ser baratos. Um material híbrido, desenvolvido em Dresden, cumpre ambos os requisitos. Himani Arora, um doutorado em física estudante em Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), demonstraram que esta estrutura metal-orgânica pode ser usada como um fotodetector de banda larga. Como não contém nenhuma matéria-prima de alto custo, pode ser produzido a granel de forma barata.

Nos últimos vinte anos, estruturas metal-orgânicas (MOFs) tornaram-se um sistema de materiais cobiçado. Até aqui, essas substâncias altamente porosas, até 90 por cento dos quais são compostos de espaço vazio, têm sido amplamente usados ​​para armazenar gases, para catálise ou para liberar lentamente drogas no corpo humano. "O composto da estrutura metal-orgânica desenvolvido na TU Dresden compreende um material orgânico integrado com íons de ferro, "explica o Dr. Artur Erbe, chefe do grupo "Transporte em nanoestruturas" no Instituto de Física de Feixes de Íons e Pesquisa de Materiais do HZDR. "A coisa especial sobre isso é que a estrutura forma camadas sobrepostas com propriedades semicondutoras, o que o torna potencialmente interessante para aplicações optoeletrônicas. "

O grupo teve a ideia de usar o novo MOF bidimensional semicondutor como fotodetector. Para ir mais longe, Himani Arora investigou as propriedades eletrônicas do semicondutor. Ela explorou, entre outros, em que medida a sensibilidade à luz dependia da temperatura e do comprimento de onda - e chegou a uma conclusão promissora:de 400 a 1, 575 nanômetros, o semicondutor pode detectar uma ampla gama de comprimentos de onda de luz. O espectro de radiação, portanto, vai do ultravioleta ao infravermelho próximo. "Esta é a primeira vez que provamos uma fotodetecção de banda larga para um fotodetector totalmente baseado em camadas MOF, "o doutorando observa." Estas são propriedades ideais para usar o material como um elemento ativo em componentes optoeletrônicos. "

O pequeno bandgap contribui para a eficiência

O espectro de comprimentos de onda que um material semicondutor pode cobrir e transformar em sinais elétricos depende essencialmente do chamado bandgap. Os especialistas usam este termo para descrever a distância energética entre a banda de valência e a banda de condução de um material no estado sólido. Em semicondutores típicos, a banda de valência está completamente cheia, então os elétrons não podem se mover. A banda de condução, por outro lado, está praticamente vazio, para que os elétrons possam se mover livremente e influenciar o fluxo da corrente. Embora o bandgap nos isoladores seja tão grande que os elétrons não podem pular da banda de valência para a banda de condução, condutores de metal não têm tais lacunas. O bandgap de um semicondutor é grande o suficiente para elevar os elétrons ao nível de energia mais alto da banda de condução usando as ondas de luz. Quanto menor o bandgap, quanto menor a energia necessária para excitar um elétron. "Como a lacuna no material que exploramos é muito pequena, apenas muito pouca energia luminosa é necessária para induzir a eletricidade, "Himani Arora explica." Esta é a razão para a grande faixa do espectro detectável. "

Ao resfriar o detector para temperaturas mais baixas, o desempenho pode ser melhorado ainda mais porque a excitação térmica dos elétrons é suprimida. Outras melhorias incluem a otimização da configuração do componente, produzindo contatos mais confiáveis ​​e desenvolvendo ainda mais o material. Os resultados sugerem que os fotodetectores baseados em MOF terão um futuro brilhante. Graças às suas propriedades eletrônicas e fabricação barata, As camadas MOF são candidatas promissoras para uma série de aplicações optoeletrônicas.

"O próximo passo é dimensionar a espessura da camada, "diz Artur Erbe, esperando ansiosamente. "No estudo, Filmes MOF de 1,7 micrômetro foram usados ​​para construir o fotodetector. Para integrá-los em componentes, eles precisam ser significativamente mais finos. "Se possível, o objetivo é reduzir as camadas sobrepostas para 70 nanômetros, isso é, 25 vezes menor que seu tamanho. Até esta espessura de camada, o material deve exibir propriedades comparáveis. Se o grupo puder provar que a funcionalidade permanece a mesma nessas camadas significativamente mais finas, eles podem então embarcar no desenvolvimento para o estágio de produção.