Junções entre os dois materiais diferentes, nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) e perovskita (CsPbBr₃ ) pontos quânticos (QDs) – um material fotovoltaico mecanicamente estável e facilmente customizável que cria uma corrente elétrica a partir da luz solar quando emparelhado com outro material, como SWCNTs – formam heterojunções semicondutoras que funcionam excepcionalmente bem como um fotodetector.



Pesquisas recentes sugerem que aumentar o diâmetro de SWCNTs em heterojunções SWCNT / perovskita QD melhora o desempenho optoeletrônico, ou capacidade de converter luz em eletricidade, da heterojunção entre os dois materiais.

Uma equipe de cientistas testou sistematicamente os efeitos de desempenho de diâmetros variados de SWCNTs, uma única camada de átomos de carbono que formam uma rede hexagonal enrolada em um cilindro sem costura, com diferentes intervalos de bandas, ou a quantidade de energia necessária para um elétron conduzir corrente elétrica. , em filmes de heterojunção com QDs de perovskita.

O estudo indicou que o aumento do diâmetro dos SWCNTs melhorou a responsividade, a detectividade e o tempo de resposta desse tipo de filme de heterojunção. Este efeito pode ser mediado pela maior separação e transporte de excitons fotogerados, um elétron carregado de energia neutra que se combina com um buraco de elétron positivo, no filme.

A equipe publicou os resultados de seu estudo na Nano Research .

"O alinhamento entre os intervalos de bandas de SWCNTs e QDs determina a separação dos excitons fotogerados nas interfaces heterogêneas, enquanto SWCNTs de diferentes diâmetros mostram diferentes capacidades e mobilidade de portadora", disse Huaping Liu, investigador principal do estudo e professor do Instituto. de Física na Academia Chinesa de Ciências em Pequim, China.

"Essas características determinam o desempenho fotoeletrônico de filmes de heterojunção SWCNTs/perovskita QDs, tornando... importante estudar sistematicamente o efeito do diâmetro de diferentes SWCNTs de band gap no desempenho de fotodetecção desses filmes."

A equipe investigou as diferenças no desempenho do fotodetector para diâmetros SWCNT entre 1,0 e 1,4 nm. As características de cada diâmetro foram avaliadas expondo os filmes SWCNT / perovskita QD à luz de 410 nm em diferentes intensidades e medindo as curvas de corrente-tensão de cada filme. Esses dados poderiam então ser usados ​​para determinar a fotocorrente, fotorresponsividade e detectividade em cada diâmetro do nanotubo.

O band gap dos SWCNTs é aproximadamente inversamente proporcional ao diâmetro do nanotubo. Quando o diâmetro do SWCNT foi aumentado de 1,0 nm para 1,4 nm, a equipe de pesquisa observou um aumento na responsividade em cerca de uma ordem de grandeza, um aumento de 5 vezes na detectividade e um aumento de 4 vezes na velocidade de resposta. Os SWCNTs de maior diâmetro medidos no estudo melhoraram a capacidade e a mobilidade da portadora para melhorar o desempenho do filme.

"A grande melhoria no desempenho fotoelétrico em filmes com SWCNTs de maior diâmetro é atribuída ao aumento dos campos elétricos incorporados na interface de heterojunção de s-SWCNTs semicondutores SWCNTs/QDs…, o que impulsiona a separação de portadores de furos de excitons fotogerados para s -SWCNTs e transporte rápido em filmes SWCNT", disse Liu.

Fotodetectores de próxima geração feitos de SWCNTs e QDs são necessários para reduzir o custo de material, o consumo de energia e a fragilidade desses tipos de detectores na eletrônica do futuro. Curiosamente, os filmes monocamada SWCNT por si só são muito ineficientes na detecção de luz, e os filmes QD de perovskita são propensos a baixa mobilidade, responsividade e detectividade do portador. Em contraste, os filmes de pontos quânticos de perovskita, quando combinados com monocamadas SWCNT, melhoram a absorção óptica como um filme fino de duas camadas com maior responsividade.

Os resultados deste estudo ajudarão outros cientistas no projeto e fabricação de novos fotodetectores de alto desempenho necessários para comunicações ópticas, tecnologias vestíveis e outras aplicações em medicina e inteligência artificial. A equipe de Liu planeja utilizar essas descobertas experimentais especificamente no projeto de fotodetectores otimizados para uso em sistemas de visão artificial altamente sensíveis.

Mais informações: Yayang Yu et al, Desempenho fotoelétrico dependente do diâmetro de nanotubos de carbono semicondutores/heterojunções de perovskita, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5942-1
Informações do diário: Nanopesquisa

Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua