Le fotocamere digitali e molti altri dispositivi elettronici necessitano di sensori fotosensibili. Al fine di soddisfare la crescente domanda di componenti optoelettronici di questo tipo, l'industria è alla ricerca di nuovi materiali semiconduttori. Non solo dovrebbero coprire un'ampia gamma di lunghezze d'onda, ma dovrebbero anche essere poco costosi. Un materiale ibrido, sviluppato a Dresda, soddisfa entrambi questi requisiti. Himani Arora, un dottorato di fisica studente presso Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), hanno dimostrato che questa struttura metallo-organica può essere utilizzata come fotorilevatore a banda larga. Poiché non contiene materie prime costose, può essere prodotto a buon mercato alla rinfusa.

Negli ultimi vent'anni, le strutture metallo-organiche (MOF) sono diventate un ambito sistema di materiali. Finora, queste sostanze altamente porose, fino al 90% dei quali sono composti da spazio vuoto, sono stati largamente utilizzati per immagazzinare gas, per la catalisi o per rilasciare lentamente farmaci nel corpo umano. "Il composto struttura metallo-organico sviluppato alla TU di Dresda comprende un materiale organico integrato con ioni di ferro, " spiega il dottor Artur Erbe, capo del gruppo "Trasporti in Nanostrutture" presso l'Istituto di Fisica del Fascio Ionico e Ricerca sui Materiali dell'HZDR. "La particolarità è che la struttura forma strati sovrapposti con proprietà semiconduttive, il che lo rende potenzialmente interessante per applicazioni optoelettroniche."

Il gruppo ha avuto l'idea di utilizzare il nuovo MOF bidimensionale a semiconduttore come fotorilevatore. Per perseguirlo ulteriormente, Himani Arora ha studiato le proprietà elettroniche del semiconduttore. lei ha esplorato, tra gli altri, fino a che punto la sensibilità alla luce dipendeva dalla temperatura e dalla lunghezza d'onda ed è giunta a una conclusione promettente:da 400 a 1, 575 nanometri, il semiconduttore potrebbe rilevare un'ampia gamma di lunghezze d'onda della luce. Lo spettro della radiazione va quindi dall'ultravioletto al vicino infrarosso. "Questa è la prima volta che dimostriamo un fotorilevamento a banda larga così ampio per un fotorilevatore completamente basato su strati MOF, " annota il dottorando. "Si tratta di proprietà ideali per utilizzare il materiale come elemento attivo nei componenti optoelettronici".

Il piccolo bandgap porta all'efficienza

Lo spettro di lunghezze d'onda che un materiale semiconduttore può coprire e trasformare in segnali elettrici dipende essenzialmente dal cosiddetto bandgap. Gli esperti usano questo termine per descrivere la distanza energetica tra la banda di valenza e la banda di conduzione di un materiale allo stato solido. Nei semiconduttori tipici, la banda di valenza è completamente piena, quindi gli elettroni non possono muoversi. La banda di conduzione, d'altra parte, è in gran parte vuoto, così gli elettroni possono muoversi liberamente e influenzare il flusso di corrente. Mentre il bandgap negli isolanti è così grande che gli elettroni non possono saltare dalla banda di mantovana alla banda di conduzione, i conduttori metallici non hanno tali lacune. Il bandgap di un semiconduttore è abbastanza grande da portare gli elettroni al livello energetico più alto della banda di conduzione usando le onde luminose. Più piccolo è il bandgap, minore è l'energia necessaria per eccitare un elettrone. "Dato che la banda proibita nel materiale che abbiamo esplorato è molto piccola, è necessaria solo pochissima energia luminosa per indurre l'elettricità, "Spiega Himani Arora. "Questa è la ragione per la vasta gamma dello spettro rilevabile."

Raffreddando il rivelatore a temperature più basse, le prestazioni possono essere ulteriormente migliorate perché l'eccitazione termica degli elettroni viene soppressa. Altri miglioramenti includono l'ottimizzazione della configurazione dei componenti, producendo contatti più affidabili e sviluppando ulteriormente il materiale. I risultati suggeriscono che i fotorilevatori basati su MOF avranno un futuro brillante. Grazie alle loro proprietà elettroniche e alla produzione economica, Gli strati MOF sono candidati promettenti per una serie di applicazioni optoelettroniche.

"Il passo successivo è ridimensionare lo spessore dello strato, "dice Artur Erbe, guardare avanti. "Nello studio, Film MOF da 1,7 micrometri sono stati utilizzati per costruire il fotorivelatore. Per integrarli in componenti, devono essere significativamente più sottili." Se possibile, l'obiettivo è ridurre gli strati sovrapposti a 70 nanometri, questo è, 25 volte più piccole delle loro dimensioni. Fino a questo spessore dello strato il materiale dovrebbe presentare proprietà comparabili. Se il gruppo può dimostrare che la funzionalità rimane la stessa in questi strati significativamente più sottili, possono quindi iniziare a svilupparlo fino alla fase di produzione.