Configurazione demo LiDAR presso l'Università di Toronto. La luce pulsata a femtosecondi viaggia verso lo specchio mobile e quindi viene diretta e focalizzata sul fotorilevatore di perovskite PbSn. Credito:Najarian et al.
I ricercatori dell'Università di Toronto e dell'Istituto di scienza e tecnologia di Barcellona hanno recentemente creato nuovi fotorivelatori di perovskite elaborati in soluzione che mostrano efficienze e tempi di risposta notevoli. Questi fotorilevatori, presentati in un articolo pubblicato su Nature Electronics , hanno un design unico che impedisce la formazione di difetti tra i suoi diversi strati.
"C'è un crescente interesse per l'imaging della gamma 3D per la guida autonoma e l'elettronica di consumo", ha detto Edward H. Sargent a TechXplore. "Abbiamo lavorato come una squadra per anni alla ricerca di nuovi materiali che consentano tecnologie di rilevamento della luce come i sensori di immagine di nuova generazione e ci sforziamo di portarli in una direzione che potrebbe avere un impatto commerciale e sociale."
I fotorilevatori, dispositivi di rilevamento che rilevano o rispondono alla luce, possono avere numerose applicazioni di grande valore. Ad esempio, possono essere integrati in sistemi robotici, veicoli autonomi, elettronica di consumo, tecnologia di rilevamento ambientale, sistemi di comunicazione in fibra ottica e sistemi di sicurezza.
"In queste applicazioni, è richiesto un fotorilevamento veloce in gamme di lunghezze d'onda oltre la visione umana", ha affermato Amin Morteza Najarian. "Il silicio, l'approccio legacy, e ideale per la lettura elettronica, non unisce da solo l'alta efficienza con l'alta velocità, a causa del suo gap di banda indiretto, una proprietà della struttura della banda del silicio che produce un debole assorbimento (da qui la necessità di silicio) nel vicino infrarosso."
Principio di funzionamento del rilevamento e della portata della luce:LiDAR misura il tempo impiegato dalla luce per raggiungere un oggetto e disperdersi nuovamente nel rilevatore. È la velocità della luce che viene utilizzata per tradurre le informazioni temporali in informazioni spaziali. Credito:Najarian et al.
In una serie di studi computazionali iniziali, Sargent e il suo team hanno identificato una perovskite binaria con un'elevata mobilità portante e un alto coefficiente di assorbimento che potrebbe competere con i materiali attualmente impiegati in termini sia di efficienza che di velocità. Il fotorilevatore introdotto nel loro recente articolo si basa su questo materiale attivo appena identificato.
"Quando la luce viene assorbita dallo strato attivo di perovskite, gli elettroni e le lacune fotogenerati vengono estratti attraverso strati di trasporto di elettroni e lacune", ha affermato il coautore Maral Vafaie. "Per ottenere tempi di risposta rapidi, questi portatori di carica devono spostarsi rapidamente attraverso i dispositivi, compresi gli strati di trasporto. Ossido di nichel (NiOx ) è caratterizzato da un'elevata cristallinità e mobilità, il che lo rende un'opzione ideale per lo strato di trasporto del foro (HTL)."
Quando hanno iniziato a testare i loro dispositivi, i ricercatori hanno scoperto che esisteva un'incompatibilità chimica tra la strategia anti-ossidazione stabilita per le perovskiti di PbSn e la NiOx strato. Hanno quindi ideato un metodo per rimuovere l'ossigeno dal dispositivo, convertendo specie di stagno indesiderate e assicurando che non vengano lasciati residui nocivi.
Nelle valutazioni iniziali, i fotorilevatori creati da Sargent, Najarian, Vafaie e dai loro colleghi hanno ottenuto risultati molto promettenti, sia in termini di efficienze quantistiche che di tempi di risposta. Il team ha anche dimostrato che i loro dispositivi possono risolvere distanze sub-millimetriche con una deviazione standard tipica di 50 µm.
Studente U of T e post-dottorato (Maral e Amin) che fabbricano perovskiti PbSn per LiDAR. Credito:Najarian et al.
"Abbiamo dimostrato che i fotorivelatori fabbricati utilizzando perovskiti binarie convertono la luce del vicino infrarosso in segnale elettrico con un'efficienza migliore dell'85% con un tempo di risposta più veloce di una frazione di nanosecondo", hanno affermato Sargent e Morteza Najarian. "Si tratta di un miglioramento 100 volte rispetto ai fotorilevatori elaborati in soluzione precedentemente segnalati. Mostriamo queste metriche delle prestazioni nella risoluzione spaziale delle distanze submillimetriche, ovvero fornendo una risoluzione della profondità."
In futuro, i nuovi fotorilevatori di perovskite elaborati da una soluzione creati da Sargent, Morteza Najarian e dai loro colleghi potrebbero rivelarsi preziosi per creare la tecnologia LiDAR (ovvero strumenti per determinare le distanze variabili tra gli oggetti) e sensori per veicoli autonomi o robot. Nel frattempo, i ricercatori intendono continuare a cercare materiali vantaggiosi e progettare nuovi componenti per le tecnologie di rilevamento.
"Nelle applicazioni di rilevamento e portata della luce a lungo raggio (LiDAR), solo una piccola frazione della luce diffusa dagli oggetti raggiunge il fotorilevatore", hanno aggiunto Sargent e Morteza Najarian. "Se si sposta l'illuminazione e il rilevamento nella regione dell'infrarosso a onde corte (ad es. 1550 nm), diventa possibile una maggiore potenza di illuminazione della luce senza porre problemi alla sicurezza degli occhi. Stiamo lavorando sui semiconduttori III-V di prossima generazione con questo in mente". + Esplora ulteriormente
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