Invisível aos nossos olhos, a luz infravermelha de ondas curtas (SWIR) pode permitir confiabilidade, função e desempenho sem precedentes em aplicações de visão computacional de alto volume, primeiras nos mercados de robótica de serviço, automotivo e eletrônicos de consumo.



Sensores de imagem com sensibilidade SWIR podem operar de forma confiável sob condições adversas, como luz solar intensa, neblina, neblina e fumaça. Além disso, a linha SWIR fornece fontes de iluminação seguras para os olhos e abre a possibilidade de detectar propriedades de materiais através de imagens moleculares.

A tecnologia de sensor de imagem baseada em pontos quânticos coloidais (CQD) oferece uma plataforma tecnológica promissora para permitir sensores de imagem compatíveis com alto volume no SWIR.

CQDs, cristais semicondutores nanométricos, são uma plataforma de material processado em solução que pode ser integrada ao CMOS e permite acesso à faixa SWIR. No entanto, existe um obstáculo fundamental na tradução de pontos quânticos sensíveis a SWIR em tecnologia facilitadora essencial para aplicações no mercado de massa, uma vez que muitas vezes contêm metais pesados ​​como chumbo ou mercúrio (semicondutores IV-VI Pb, calcogeneto de Hg).

Esses materiais estão sujeitos às regulamentações da Restrição de Substâncias Perigosas (RoHS), uma diretiva europeia que regula seu uso em aplicações eletrônicas de consumo comercial.

Em um estudo publicado na Nature Photonics , os pesquisadores do ICFO Yongjie Wang, Lucheng Peng e Aditya Malla liderados pelo ICREA Prof. no ICFO Gerasimos Konstantos, em colaboração com os pesquisadores Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black e Stijn Goossens, do Qurv, relataram sobre o desenvolvimento de alta tecnologia. fotodetectores infravermelhos de alto desempenho e um sensor de imagem SWIR operando em temperatura ambiente com base em pontos quânticos coloidais não tóxicos.

O estudo descreve um novo método para sintetizar telureto de prata sem fosfina e ajustável em tamanho (Ag₂ Te) pontos quânticos, preservando as propriedades vantajosas das contrapartes tradicionais de metais pesados, abrindo caminho para a introdução da tecnologia de pontos quânticos coloidais SWIR em mercados de alto volume.

Ao investigar como sintetizar telureto de bismuto de prata (AgBiTe₂ ) nanocristais para estender a cobertura espectral do AsBiS₂ tecnologia para melhorar o desempenho de dispositivos fotovoltaicos, os pesquisadores obtiveram telureto de prata (Ag₂ Te) como subproduto.

Este material mostrou uma absorção confinada quântica forte e ajustável, semelhante aos pontos quânticos. Eles perceberam seu potencial para fotodetectores SWIR e sensores de imagem e direcionaram seus esforços para alcançar e controlar um novo processo para sintetizar versões livres de fosfina de pontos quânticos de telureto de prata, já que se descobriu que a fosfina tem um impacto prejudicial nas propriedades optoeletrônicas dos pontos quânticos. relevante para a fotodetecção.

Em seu novo método sintético, a equipe usou diferentes complexos livres de fosfina, como telúrio e precursores de prata, que os levaram a obter pontos quânticos com distribuição de tamanho bem controlada e picos excitônicos em uma faixa muito ampla do espectro.

Depois de fabricá-los e caracterizá-los, os pontos quânticos recém-sintetizados exibiram desempenhos notáveis, com picos excitônicos distintos acima de 1.500 nm – uma conquista sem precedentes em comparação com técnicas anteriores baseadas em fosfina para fabricação de pontos quânticos.

Os pesquisadores então decidiram implementar os pontos quânticos livres de fosfina obtidos para fabricar um fotodetector simples em escala de laboratório no substrato de vidro revestido com ITO (óxido de estanho e índio) padrão comum para caracterizar os dispositivos e medir suas propriedades.

"Esses dispositivos em escala de laboratório são operados com luz brilhante vinda de baixo. Para pilhas CQD integradas ao CMOS, a luz vem de cima, enquanto a parte inferior do dispositivo é captada pela eletrônica CMOS, "disse Yongjie Wang, pesquisador de pós-doutorado no ICFO e primeiro autor do estudo. “Então, o primeiro desafio que tivemos que superar foi reverter a configuração do dispositivo. Um processo que em teoria parece simples, mas na realidade provou ser uma tarefa desafiadora.”

Inicialmente, o fotodiodo exibiu baixo desempenho na detecção de luz SWIR, provocando um redesenho que incorporou uma camada tampão. Este ajuste melhorou significativamente o desempenho do fotodetector, resultando em um fotodiodo SWIR exibindo uma faixa espectral de 350nm a 1.600nm, uma faixa dinâmica linear superior a 118 dB, uma largura de banda de -3dB superior a 110 kHz e uma detectividade de temperatura ambiente da ordem de 10 ¹² Jones.

"Até onde sabemos, os fotodiodos relatados aqui realizaram, pela primeira vez, fotodiodos infravermelhos de ondas curtas não tóxicos e processados ​​em solução, com números de mérito equivalentes a outros equivalentes contendo metais pesados", Gerasimos Konstantos, Prof. do ICREA no ICFO e principal autor do estudo menciona.

"Esses resultados apoiam ainda mais o fato de que Ag₂ Os pontos quânticos emergem como um material promissor em conformidade com RoHS para aplicações de fotodetectores SWIR de baixo custo e alto desempenho."

Com o desenvolvimento bem-sucedido deste fotodetector baseado em pontos quânticos sem metais pesados, os pesquisadores foram além e se uniram ao Qurv, um spin-off do ICFO, para demonstrar seu potencial construindo um sensor de imagem SWIR como um estudo de caso.

A equipe integrou o novo fotodiodo com um circuito integrado de leitura baseado em CMOS (ROIC) matriz de plano focal (FPA), demonstrando pela primeira vez um sensor de imagem baseado em pontos quânticos SWIR de prova de conceito, não tóxico e operando em temperatura ambiente .

Os autores do estudo testaram o gerador de imagens para provar seu funcionamento no SWIR, tirando várias fotos de um objeto alvo. Em particular, eles foram capazes de visualizar a transmissão de pastilhas de silício sob a luz SWIR, bem como visualizar o conteúdo de garrafas plásticas que eram opacas na faixa de luz visível.

“Acessar o SWIR com uma tecnologia de baixo custo para produtos eletrônicos de consumo irá liberar o potencial desta faixa espectral com uma enorme gama de aplicações, incluindo sistemas de visão aprimorados para a indústria automotiva (automóveis), permitindo visão e condução sob condições climáticas adversas”, afirma Gerasimos Konstantos. .

"A banda SWIR em torno de 1,35–1,40 µm pode fornecer uma janela segura para os olhos, livre de luz de fundo em condições diurnas/noturnas, permitindo assim ainda detecção e alcance de luz de longo alcance (LiDAR), imagens tridimensionais para automóveis, imagens aumentadas aplicações de realidade e realidade virtual."

Agora os pesquisadores querem aumentar o desempenho dos fotodiodos projetando a pilha de camadas que compõem o dispositivo fotodetector. Eles também querem explorar novos produtos químicos de superfície para Ag₂ Os pontos quânticos para melhorar o desempenho e a estabilidade térmica e ambiental do material a caminho do mercado.

Mais informações: Wang, Y., Peng, L., Schreier, J. et al. Fotodetectores infravermelhos de ponto quântico coloidal de telureto de prata e sensores de imagem. Fotônica da Natureza . (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01345-3
Informações do diário: Fotônica da Natureza

Fornecido por ICFO