Invisibile ai nostri occhi, la luce infrarossa a onde corte (SWIR) può garantire affidabilità, funzionalità e prestazioni senza precedenti nelle prime applicazioni di visione artificiale ad alto volume nei mercati della robotica di servizio, automobilistico e dell'elettronica di consumo.
I sensori di immagine con sensibilità SWIR possono funzionare in modo affidabile in condizioni avverse come luce solare intensa, nebbia, foschia e fumo. Inoltre, la gamma SWIR fornisce fonti di illuminazione sicure per gli occhi e apre la possibilità di rilevare le proprietà dei materiali attraverso l'imaging molecolare.
La tecnologia dei sensori di immagine basati su punti quantici colloidali (CQD) offre una promettente piattaforma tecnologica per abilitare sensori di immagini compatibili in grandi volumi nello SWIR.
I CQD, cristalli semiconduttori nanometrici, sono una piattaforma di materiali elaborati in soluzione che può essere integrata con CMOS e consente l'accesso alla gamma SWIR. Tuttavia, esiste un ostacolo fondamentale nel tradurre i punti quantici sensibili allo SWIR in una tecnologia abilitante chiave per applicazioni nel mercato di massa, poiché spesso contengono metalli pesanti come piombo o mercurio (semiconduttori IV-VI Pb, calcogenuro di mercurio).
Questi materiali sono soggetti alle normative RoHS (Restriction of Hazardous Substances), una direttiva europea che ne regola l'uso nelle applicazioni elettroniche di consumo commerciali.
In uno studio pubblicato su Nature Photonics , i ricercatori dell'ICFO Yongjie Wang, Lucheng Peng e Aditya Malla guidati dal Prof. dell'ICREA presso l'ICFO Gerasimos Konstantatos, in collaborazione con i ricercatori Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black e Stijn Goossens, di Qurv, hanno riferito sullo sviluppo di alta- fotorilevatori a infrarossi ad alte prestazioni e un sensore di immagine SWIR operante a temperatura ambiente basato su punti quantici colloidali non tossici.
Lo studio descrive un nuovo metodo per sintetizzare il tellururo d'argento privo di fosfina (Ag2) con dimensioni sintonizzabili Te) punti quantici preservando le proprietà vantaggiose delle tradizionali controparti di metalli pesanti, aprendo la strada all'introduzione della tecnologia dei punti quantici colloidali SWIR nei mercati ad alto volume.
Mentre studiavo come sintetizzare il tellururo di bismuto d'argento (AgBiTe2 ) nanocristalli per estendere la copertura spettrale dell'ABiS2 tecnologia per migliorare le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici, i ricercatori hanno ottenuto il tellururo d'argento (Ag2 Te) come sottoprodotto.
Questo materiale ha mostrato un assorbimento confinato quantico forte e sintonizzabile simile ai punti quantici. Hanno realizzato il suo potenziale per i fotorilevatori SWIR e i sensori di immagine e hanno concentrato i loro sforzi per ottenere e controllare un nuovo processo per sintetizzare versioni prive di fosfina dei punti quantici al tellururo d'argento, poiché si è scoperto che la fosfina ha un impatto dannoso sulle proprietà optoelettroniche dei punti quantici rilevante per il rilevamento fotografico.
Nel loro nuovo metodo sintetico, il team ha utilizzato diversi complessi privi di fosfina, come il tellurio e i precursori dell'argento, che li hanno portati a ottenere punti quantici con una distribuzione dimensionale ben controllata e picchi eccitonici su una gamma molto ampia dello spettro.
Dopo averli fabbricati e caratterizzati, i punti quantici appena sintetizzati hanno mostrato prestazioni notevoli, con picchi eccitonici distinti superiori a 1.500 nm:un risultato senza precedenti rispetto alle precedenti tecniche basate sulla fosfina per la fabbricazione di punti quantici.
I ricercatori hanno quindi deciso di implementare i punti quantici privi di fosfina ottenuti per fabbricare un semplice fotorilevatore su scala di laboratorio sul substrato di vetro rivestito standard comune ITO (ossido di indio e stagno) per caratterizzare i dispositivi e misurarne le proprietà.
"Questi dispositivi su scala di laboratorio funzionano con luce brillante proveniente dal basso. Per gli stack CQD integrati CMOS, la luce proviene dall'alto, mentre la parte inferiore del dispositivo è catturata dall'elettronica CMOS", ha affermato Yongjie Wang, ricercatore postdoc presso l'ICFO. e primo autore dello studio. "Quindi, la prima sfida che abbiamo dovuto superare è stata ripristinare la configurazione del dispositivo. Un processo che in teoria sembra semplice, ma in realtà si è rivelato un compito impegnativo."
Inizialmente, il fotodiodo mostrava prestazioni basse nel rilevamento della luce SWIR, richiedendo una riprogettazione che incorporasse uno strato tampone. Questa regolazione ha migliorato significativamente le prestazioni del fotorilevatore, risultando in un fotodiodo SWIR che mostra una gamma spettrale da 350 nm a 1.600 nm, una gamma dinamica lineare superiore a 118 dB, una larghezza di banda di -3 dB superiore a 110 kHz e una sensibilità della temperatura ambiente dell'ordine di 10 12 Jones.
"Per quanto ne sappiamo, i fotodiodi qui riportati hanno realizzato per la prima volta fotodiodi a infrarossi a onde corte non tossici elaborati in soluzione con cifre di merito alla pari con altre controparti contenenti metalli pesanti", Gerasimos Konstantatos, Prof. ICREA presso ICFO e l'autore principale dello studio menziona.
"Questi risultati supportano ulteriormente il fatto che Ag2 I punti quantici emergono come un promettente materiale conforme alla direttiva RoHS per applicazioni di fotorilevatori SWIR a basso costo e ad alte prestazioni."
Con lo sviluppo di successo di questo fotorilevatore basato su punti quantici privo di metalli pesanti, i ricercatori sono andati oltre e hanno collaborato con Qurv, uno spin-off dell'ICFO, per dimostrarne il potenziale costruendo un sensore di immagini SWIR come caso di studio.
Il team ha integrato il nuovo fotodiodo con un Focal Plane Array (FPA) con circuito integrato di lettura (ROIC) basato su CMOS, dimostrando per la prima volta un sensore di immagine SWIR basato su punti quantici proof-of-concept, non tossico, funzionante a temperatura ambiente .
Gli autori dello studio hanno testato l'imager per dimostrarne il funzionamento nello SWIR scattando diverse foto di un oggetto target. In particolare, sono stati in grado di acquisire immagini della trasmissione di wafer di silicio sotto la luce SWIR e di visualizzare il contenuto di bottiglie di plastica opache nella gamma della luce visibile.
"L'accesso allo SWIR con una tecnologia a basso costo per l'elettronica di consumo libererà il potenziale di questa gamma spettrale con una vasta gamma di applicazioni, tra cui sistemi di visione migliorati per l'industria automobilistica (automobili) che consentono la visione e la guida in condizioni meteorologiche avverse", afferma Gerasimos Konstantatos .
"La banda SWIR intorno a 1,35–1,40 µm può fornire una finestra sicura per gli occhi, priva di luce di fondo in condizioni diurne/notturne, consentendo così ulteriormente il rilevamento e la portata della luce a lungo raggio (LiDAR), imaging tridimensionale per il settore automobilistico, immagini aumentate realtà e applicazioni di realtà virtuale."
Ora i ricercatori vogliono aumentare le prestazioni dei fotodiodi ingegnerizzando la pila di strati che compongono il dispositivo fotorilevatore. Vogliono anche esplorare nuove sostanze chimiche di superficie per l'Ag2 I punti quantici per migliorare le prestazioni e la stabilità termica e ambientale del materiale nel suo percorso verso il mercato.
Ulteriori informazioni: Wang, Y., Peng, L., Schreier, J. et al. Fotorilevatori a infrarossi a punti quantici colloidali al tellururo di argento e sensori di immagine. Fotonica della natura . (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01345-3
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura
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