I fotorivelatori a colori in grado di convertire la luce in segnali elettrici senza sofisticati filtri colorati e ottiche interferometriche hanno guadagnato una notevole attenzione per applicazioni diffuse. Però, le sfide tecniche hanno impedito agli scienziati di combinare semiconduttori multispettrali e migliorare l'efficienza del trasferimento di fotoni per formare in pratica dispositivi optoelettronici ad alte prestazioni. In un recente rapporto su Progressi scientifici , Jaehyun Kim e un team di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali negli Stati Uniti e in Corea, descritto un fabbricato a bassa temperatura (150 gradi C), pixelato bidimensionalmente (2-D), fotorilevatore a colori che utilizza l'integrazione monolitica di punti quantici accoppiati a semiconduttori amorfi di indio-gallio-ossido di zinco.

Hanno introdotto ligandi chelanti a base di calcometallato (metallo sintetico combinato/semiconduttore) per realizzare con successo un trasporto di portatori di carica altamente efficiente e una modellazione fine senza fotoresistenze di strati 2-D. I componenti hanno mostrato una fotorilevazione e una fotoresponsività estremamente elevate su un'ampia gamma di lunghezze d'onda. Sulla base di queste tecniche, il team di ricerca ha implementato un array di circuiti a fototransistor discriminabile in lunghezza d'onda su una piattaforma morbida simile alla pelle come approccio versatile e scalabile per formare sensori di immagini spettrali di grandi dimensioni e dispositivi biologici orientati all'uomo.

Gli scienziati dei materiali mirano a sviluppare fotorilevatori interconnessi a colori [che vanno dallo spettro ultravioletto (UV) all'infrarosso (IR)] progettati su una piattaforma morbida simile alla pelle per raccogliere informazioni significative dal corpo umano e dall'ambiente circostante. Tali tecnologie avranno applicazioni come sensori di immagini neuromorfiche, robotica morbida e monitor di salute biologica. Rispetto al fotorilevamento a banda singola o stretta, Il fotorilevamento 2-D a colori su un'unica piattaforma è significativamente vantaggioso per ottenere informazioni affidabili ed estese. Per superare le sfide esistenti della fabbricazione di dispositivi a colori 2D, i ricercatori avevano precedentemente sviluppato fotorilevatori con nuovi materiali fotosensibili per formare architetture di dispositivi per il fotorilevamento a banda larga. Questi includono punti quantici colloidali, semiconduttori di ossido amorfo (AOS), semiconduttori organici, materiali perovskite e materiali 2-D come grafene e dicalcogenuri di metalli di transizione.

Mentre i progressi precedenti sono degni di nota, tipicamente includevano un materiale assorbente a banda stretta con sintonizzabilità limitata del bandgap e capacità di discriminazione della lunghezza d'onda limitata. Per superare i limiti, i punti quantici colloidali (QD) hanno attirato l'attenzione grazie alle loro caratteristiche optoelettroniche uniche, tra cui l'ampia sintonizzabilità del bandgap e l'aumento dei coefficienti di assorbimento della luce. Ma rimangono raramente riportati durante le applicazioni di fotorilevamento a colori altamente sensibili.

Nel nuovo studio, Kim et al. ha sviluppato un approccio scalabile versatile e su vasta area per estendere la larghezza di banda di rilevamento di un fotorilevatore da UV a IR. Gli scienziati hanno utilizzato l'integrazione monolitica di QD con transistor a film sottile (TFT) a base di indio-gallio-ossido di zinco (a-IGZO) o fototransistor per implementare un circuito integratore di carica in pixel 2-D a bassa temperatura (CIC) matrice per la discriminazione dei colori. Per ottenere una fotorilevazione ultraelevata, hanno introdotto un ligando chelante calcometallato elettricamente ad alte prestazioni e a trappola ridotta (ligando combinato metallico e semiconduttore) per QD (punti quantici). Kim et al. ha anche ottenuto un patterning ad alta risoluzione di più strati QD tramite fotomodellazione diretta e ha dimostrato che i loro fototransistor pixelizzati formano un effetto simile alla pelle, fotorilevatore bidimensionale in grado di fotorilevamento a colori dipendente dalla posizione.

Il team di ricerca ha condotto due strategie per realizzare il fotorilevamento a colori con un'elevata sensibilità; per prima cosa hanno progettato l'architettura del fotorivelatore insieme a un circuito in-pixel per un'elevata sensibilità. Hanno quindi combinato i QD con uno strato attivo a-IGZO (indio-gallio-ossido di zinco) per un assorbimento della luce a colori e una raccolta di carica altamente efficiente. Hanno progettato il fotorilevatore flessibile QD/a-IGZO su un substrato di poliimmide (PI) ultrasottile. Quindi è stata utilizzata la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) per confermare l'impilamento dei QD sullo strato a-IGZO, insieme alla distribuzione uniforme dello strato QD. Per rilevare l'intera gamma di colori, il team ha incluso una varietà di livelli QD con diversi bandgap sul livello a-IGZO.

Gli scienziati avevano precedentemente incorporato QD semiconduttori in diversi dispositivi optoelettronici, ma il trasporto di carica è rimasto spesso limitato dai ligandi che collegano i QD. Per migliorare l'efficienza di trasferimento della carica del dispositivo, hanno studiato ligandi conducenti tra cui l'etanditiolo, tiocianato e leganti atomici. L'attuale team di ricercatori ha scelto Sn ₂ S ₆ ^4- come il sistema ideale da una varietà di ligandi calcometallati e selezionati SCN ^- QD basati su ligandi come riferimento, a causa di ampie indagini sulla loro elevata conduttività e mobilità nei dispositivi elettronici.

Nella configurazione sperimentale, SCN ^- QD tappati facilmente decomposti per formare vacanze di zolfo sulla superficie QD, impedendo un efficiente trasferimento di carica tra i QD e lo strato del canale a-IGZO. Comparativamente, il bidentato (donando due coppie di elettroni ad un atomo di metallo) Sn ₂ S ₆ ^4- i ligandi avevano minime vacanze di zolfo sulla superficie QD. Gli elettroni fotogenerati da Sn ₂ S ₆ ^4- i QD con capped vengono quindi trasferiti in modo efficiente nella banda di conduzione dello strato del canale a-IGZO. Ciò ha comportato una grande barriera energetica e una raccolta di carica con intrappolamento minimo per i fori fotogenerati per rimanere nei QD o vicino all'interfaccia QD/a-IGZO.

Gli scienziati hanno studiato le caratteristiche di risposta ottica dei fototransistor QD/a-IGZO con una varietà di analisi spettroscopiche, compresa l'analisi del rumore correlato alla trappola interfacciale e la microscopia a fotocorrente a scansione (SPCM). Hanno notato il SCN ^- fototransistor di seleniuro di cadmio (CdSe) con cappuccio per avere circa 10 ³ densità di trappola volte superiore a Sn ₂ S ₆ ^4- fototransistor CdSe QD/a-IGZO con cappuccio. il Sn ₂ S ₆ ^4- fototransistor con cappuccio ha mostrato un ampio profilo di corrente gaussiana con un processo dominato dal fotovoltaico, considerando che il SCN ^- il fototransistor chiuso ha mostrato una chiara risposta fototermoelettrica. Di conseguenza, Kim et al. osservato il livello di fotocorrente di Sn ₂ S ₆ ^4- i dispositivi con cappuccio devono essere molto più alti di SCN ^- dispositivi chiusi, a causa del trasferimento efficiente di elettroni fotogenerati da CdSe QD allo strato a-IGZO senza problemi di intrappolamento dei portatori di carica.

Il team di ricerca ha confrontato la fotosensibilità e la fotorilevazione dei due fototransistor sotto luce bianca e illuminazione a banda larga per osservare un'elevata fotorisposta in Sn ₂ S ₆ ^4- fototransistor chiusi. Hanno attribuito il risultato al rumore di sfarfallio estremamente basso del dispositivo e allo Sn . ad alta conduzione e trappola ridotto ₂ S ₆ ^4- ligandi di CdSe QD. Kim et al. ha inoltre registrato una fotorisposta più piccola da 0,27 secondi a 90 millisecondi; sufficiente per il fotorilevamento e le applicazioni di rilevamento delle immagini.

Per garantire un'elevata fotorivelazione e ridurre le dispersioni di corrente nei dispositivi, hanno modellato strati QD ad alta risoluzione utilizzando un CMOS compatibile, processo di fotomodellazione diretta. Utilizzando immagini di microscopia elettronica a scansione potenziata sul campo (FESEM) e di microscopia a forza atomica (AFM), i ricercatori hanno confermato una chiara modellazione degli strati QD con uno spessore di circa 17 nm. Dopo aver progettato un circuito integratore di carica (CIC) a colori (da UV a IR) contenente strati QD direttamente fotomodellati, hanno usato uno strato a-IGZO come materiale di canale per controllare o commutare e discriminare la lunghezza d'onda dei circuiti integrati. Il setup sperimentale ha permesso l'amplificazione in-pixel, rilevamento a colori e UV.

Per dimostrare le possibili applicazioni della piattaforma del fotorilevatore a colori simile alla pelle, Kim et al. preparato un array di fotorivelatori QD/a-IGZO multiplex 10 x 10 su un substrato PI (poliimmide) e acquisito una grande quantità di dati dipendenti dalla lunghezza d'onda. Il team 2-D ha mappato la corrente di uscita ottenuta dall'array di fotorivelatori sotto l'illuminazione di cinque diverse sorgenti luminose (infrarossi, rosso, verde, blu e UV), dove la maggior parte dei pixel ha mostrato una distribuzione della corrente spazialmente uniforme alle corrispondenti sorgenti di luce. Kim et al. ha quindi utilizzato il dispositivo per applicazioni biologiche e ha monitorato i livelli di saturazione di ossigeno nel sangue nel dito indice misurando varie lunghezze d'onda della luce attraverso i vasi sanguigni capillari. I dati della mappa 2-D risultanti per diverse sorgenti luminose hanno mostrato una trasmittanza specifica a seconda della lunghezza d'onda. I risultati possono portare a un avanzamento critico di una diagnostica più affidabile e precisa nei sistemi di monitoraggio sanitario.

In questo modo, Jaehyun Kim e colleghi hanno presentato fabbricati a bassa temperatura, diversi fototransistor basati su QD e i loro array CIC in-pixel per superare i sensori tradizionali basati su fotodiodo. I dispositivi hanno risolto i confini esistenti dei fotorilevatori flessibili all'avanguardia per il fotorilevamento a colori da UV a IR per un'elevata affidabilità, Fotorilevamento 2-D. Il potenziale discriminante della lunghezza d'onda del dispositivo può aprire nuove prospettive per i dispositivi di fotorilevazione e l'elettronica. Allo stesso modo, i leganti calcometallati chelanti fotosensibili e ad alta conduttività trasferiscono perfettamente gli elettroni fotogenerati a uno strato semiconduttore attivo, senza intrappolamento di elettroni per fotosensibilità e fotorilevamento estremamente elevate. Le piattaforme possono essere integrate per progettare un percorso facile per una varietà di applicazioni di bio-imaging.

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