Giunzioni tra i due diversi materiali, nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) e perovskite (CsPbBr3 ) punti quantici (QD), un materiale fotovoltaico meccanicamente stabile e facilmente personalizzabile che crea una corrente elettrica dalla luce solare se accoppiato con un altro materiale, come gli SWCNT, formano eterogiunzioni semiconduttrici che funzionano eccezionalmente bene come fotorivelatore.
Ricerche recenti suggeriscono che l'aumento del diametro degli SWCNT nelle eterogiunzioni QD SWCNT/perovskite migliora le prestazioni optoelettroniche, o la capacità di convertire la luce in elettricità, dell'eterogiunzione tra i due materiali.
Un team di scienziati ha testato sistematicamente gli effetti sulle prestazioni dei vari diametri degli SWCNT, un singolo strato di atomi di carbonio che formano un reticolo esagonale arrotolato in un cilindro senza giunzioni, con diversi intervalli di banda, o la quantità di energia richiesta da un elettrone per condurre la corrente elettrica , in film ad eterogiunzione con QD di perovskite.
Il loro studio ha indicato che l'aumento del diametro degli SWCNT ha migliorato la reattività, la rilevabilità e il tempo di risposta di questo tipo di film a eterogiunzione. Questo effetto può essere mediato dalla separazione e dal trasporto migliorati degli eccitoni fotogenerati, un elettrone con carica neutra che trasporta energia che si combina con una lacuna elettronica positiva nella pellicola.
Il team ha pubblicato i risultati del proprio studio su Nano Research .
"L'allineamento tra le bande proibite degli SWCNT e dei QD determina la separazione degli eccitoni fotogenerati sulle interfacce eterogenee, mentre gli SWCNT di diametro diverso mostrano capacità e mobilità di portatori diverse", ha affermato Huaping Liu, il ricercatore principale dello studio e professore presso l'Istituto di Fisica presso l'Accademia Cinese delle Scienze di Pechino, Cina.
"Queste caratteristiche determinano le prestazioni fotoelettroniche dei film di eterogiunzione SWCNT/perovskite QD, rendendo... importante studiare sistematicamente l'effetto del diametro dei diversi SWCNT con gap di banda sulle prestazioni di fotorilevamento di questi film."
Il team ha studiato le differenze nelle prestazioni del fotorilevatore per diametri SWCNT compresi tra 1,0 e 1,4 nm. Le caratteristiche di ciascun diametro sono state valutate esponendo i film QD di SWCNT/perovskite a luce da 410 nm a diverse intensità e misurando le curve corrente-tensione di ciascun film. Questi dati potrebbero quindi essere utilizzati per determinare la fotocorrente, la fotoresponsività e la rilevabilità per ciascun diametro di nanotubo.
Il gap di banda degli SWCNT è approssimativamente inversamente proporzionale al diametro del nanotubo. Quando il diametro dell'SWCNT è stato aumentato da 1,0 nm a 1,4 nm, il gruppo di ricerca ha osservato un aumento della reattività di circa un ordine di grandezza, un aumento di 5 volte della rilevabilità e un aumento di 4 volte della velocità di risposta. Gli SWCNT di diametro maggiore misurati nello studio hanno migliorato la capacità e la mobilità del trasportatore per migliorare le prestazioni della pellicola.
"Il grande miglioramento delle prestazioni fotoelettriche nei film con SWCNT di diametro maggiore è attribuito all'aumento dei campi elettrici incorporati nell'interfaccia di eterogiunzione degli SWCNT/QD semiconduttori s-SWCNT..., che guida la separazione dei portatori di lacune dagli eccitoni fotogenerati a s -SWCNT e trasporto rapido nei film SWCNT," ha detto Liu.
I fotorilevatori di prossima generazione realizzati con SWCNT e QD sono necessari per ridurre il costo dei materiali, il consumo di energia e la fragilità di questi tipi di rilevatori nell'elettronica del futuro. È interessante notare che i film monostrato SWCNT da soli sono molto inefficienti nel rilevare la luce e i film QD di perovskite sono soggetti a bassa mobilità, reattività e rilevabilità dei portatori. Al contrario, le pellicole a punti quantici di perovskite, se accoppiate con monostrati SWCNT, migliorano l'assorbimento ottico come una sottile pellicola a doppio strato con una maggiore reattività.
I risultati di questo studio aiuteranno altri scienziati nella progettazione e fabbricazione di nuovi fotorilevatori ad alte prestazioni necessari per le comunicazioni ottiche, le tecnologie indossabili e altre applicazioni in medicina e intelligenza artificiale. Il team di Liu prevede di utilizzare questi risultati sperimentali specificamente nella progettazione di fotorilevatori ottimizzati da utilizzare in sistemi di visione artificiale altamente sensibili.
Ulteriori informazioni: Yayang Yu et al, Prestazioni fotoelettriche dipendenti dal diametro di nanotubi di carbonio semiconduttori/eterogiunzioni di perovskite, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5942-1
Informazioni sul giornale: Ricerca sulla nanotecnologia
Fornito dalla Tsinghua University Press
