I fotorivelatori sono i dispositivi che convertono le informazioni trasportate dalla luce in un segnale elettrico che può essere elaborato da circuiti elettronici e computer. Si trovano nei dispositivi di tutti i giorni, come telecomandi televisivi e sensori di movimento, e sono una componente chiave in molte tecnologie di intelligenza artificiale e Internet of Things (IoT). Ma il più grande, e il mercato in più rapida crescita per loro è quello dei data center e delle telecomunicazioni, dove decine di milioni di essi vengono implementati ogni anno per soddisfare le crescenti esigenze di storage della nostra tecnologia informatica.

La crescita in questi settori ha reso il fotorilevatore un prodotto molto richiesto, ma la loro fabbricazione richiede materiali costosi, come oro e titanio, e condizioni altamente controllate prodotte da apparecchiature ad alta intensità di capitale con elevati costi di manutenzione.

I ricercatori della Drexel University hanno recentemente riferito di un nuovo modo di realizzare i sensori, utilizzando un tipo di materiale bidimensionale chiamato MXene, che ne migliora la sensibilità e riduce notevolmente i costi di produzione.

Nella loro ricerca, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Materiale avanzato , il gruppo mostra come la sostituzione dell'oro con uno strato traslucentemente sottile di materiale MXene possa rendere possibile l'aumento del processo di produzione del fotorilevatore e la realizzazione di sensori superiori all'attuale standard aureo.

"Si tratta di uno sviluppo importante perché si prevede che la domanda mondiale di fotorivelatori raggiungerà i 2 miliardi di dollari entro il 2024, quindi c'è un urgente bisogno di aumentare il processo e trovare materiali più sostenibili da utilizzare come componenti, " ha detto Pouya Dianat, dottorato di ricerca, un assistente professore di ricerca presso il College of Engineering di Drexel e coautore del documento.

I fotorivelatori trasformano la radiazione luminosa in corrente elettrica. In genere usano l'oro come materiale di contatto per collegare il materiale del rilevatore al resto del circuito perché è altamente conduttivo. Questi rilevatori sono sempre più comuni in una gamma di applicazioni che richiedono la trasmissione rapida di volumi di dati, come l'assemblaggio automatizzato, sistemi di imballaggio e consegna che stanno crescendo per far fronte all'esplosione dello shopping online. Rastrelliere imponenti vengono utilizzate nei data center delle dimensioni di un magazzino per trasmettere informazioni attraverso gli edifici che possono estendersi sull'area di quattro campi da calcio.

Perché MXenes, che sono materiali a strati sottili bidimensionali, sono abbastanza versatili da rimanere altamente conduttivi quando applicati in una varietà di forme, dalla vernice spray, all'argilla, inchiostrare - sono emersi come un candidato attraente per l'uso, sotto forma di pellicola trasparente, come elettrodi nei fotorivelatori.

"Una delle maggiori sfide nella fabbricazione di fotorivelatori è la deposizione di contatti d'oro. Oltre al costo dell'oro stesso, il processo di fabbricazione deve essere eseguito ad alta temperatura e in camera sotto vuoto, che è anche abbastanza costoso, "ha detto Kiana Montazeri, un ricercatore di dottorato e autore principale del documento. "Stiamo sostituendo l'oro con MXenes, che sono materiali meno costosi, e produrre i componenti del fotorilevatore depositandoli in condizioni ambientali utilizzando uno spinner da tavolo."

Questo processo di deposizione di film sottile, funziona come mettere una macchia di inchiostro in una centrifuga e poi staccare lo schizzi risultante dal muro. Essendo un processo relativamente semplice che può essere eseguito in condizioni atmosferiche normali su un substrato modellato, può essere facilmente scalato per produrre in serie fotorivelatori MXene.

La sensibilità dei fotorivelatori è legata alla superficie del materiale fotosensibile. Mentre sensori più grandi sarebbero più desiderabili, le loro dimensioni richiedono anche più potenza ottica per funzionare, e fa sì che la risposta sia lenta. Perché sono conduttivi, I film MXene potrebbero essere utilizzati in più componenti dei sensori, trasformando così quasi l'intera superficie del dispositivo in un'area di rilevamento, senza diminuirne l'efficienza energetica o le prestazioni.

"L'interesse per MXenes è esploso di recente per una serie di motivi, il principale tra questi è che possono essere mescolati con acqua per fare spray e inchiostri pur rimanendo abbastanza conduttivi, " disse Bahram Nabet, dottorato di ricerca, un professore del Drexel's College of Engineering e coautore dell'articolo "L'uso di pellicole MXene trasparenti come contatti nei fotorilevatori offre un ovvio vantaggio in quanto mitiga il compromesso tra la distanza di transito del vettore e la reattività".

Nel documento i ricercatori riferiscono che i fotorilevatori a pellicola MXene che hanno creato hanno funzionato circa quattro volte meglio, in termini di sensibilità, rispetto ai dispositivi attuali realizzati con l'oro. Ciò significa che potrebbero essere utilizzati per rendere i data center molto più efficienti dal punto di vista energetico.

"Il prossimo passo per questo lavoro è continuare a standardizzare il processo di produzione e sviluppare metodi per stabilizzare i componenti MXene per l'uso in una varietà di ambienti e condizioni, " disse Michel Barsoum, dottorato di ricerca, Professore illustre presso la Facoltà di Ingegneria. "Ci aspettiamo che questa scoperta apra le porte all'utilizzo di MXene in un'ampia varietà di dispositivi optoelettronici, come i fotodiodi e i fototransistor, nonché nelle tecnologie abilitanti come la microelettronica, circuiti integrati fotonici e fotonica del silicio."