Ученые создают нетоксичные квантовые точки для коротковолновых инфракрасных датчиков изображения

Коротковолновые инфракрасные датчики света (SWIR) желательны в широком спектре применений, особенно в секторах сервисной робототехники, автомобилестроения и бытовой электроники. Коллоидные квантовые точки, настраиваемые в SWIR, перспективны для таких датчиков, поскольку их можно легко интегрировать в КМОП, но их широкое использование на рынке сдерживается тем фактом, что большинство из них содержат токсичные тяжелые металлы, такие как свинец или ртуть. По словам одного из исследователей, теперь группа ученых изготовила квантовые точки из нетоксичных материалов и протестировала их в фотодетекторе лабораторного масштаба. Недавняя статья Опубликовано в журнале Nature Photonics.

«SWIR-свет для зондирования и визуализации имеет первостепенное значение из-за его уникальных свойств», — пишут авторы. «Он безопасен для глаз; он может проникать сквозь туман, дымку и другие погодные условия, позволяя получать изображения в неблагоприятных погодных условиях для автомобильной промышленности, экологического зондирования и дистанционного зондирования; наличие ночного свечения в ночное время в SWIR-диапазоне обеспечивает пассивное ночное видение; а оптическая визуализация в сочетании с инфракрасной спектроскопией обеспечивает машинное зрение, биовизуализацию, а также проверку качества пищевых продуктов и процессов», среди других приложений.

Как говорилось ранее, квантовая точка представляет собой небольшое полупроводниковое зерно диаметром в несколько десятков атомов. На булавочную головку можно поместить миллиарды долларов, и чем меньше, тем лучше. В этих малых масштабах начинают проявляться квантовые эффекты, которые придают точкам превосходные электрические и оптические свойства. Они ярко светятся, когда на них падает свет, и цвет этого света определяется размером квантовых точек. Точки большего размера излучают более красный свет; Маленькие точки излучают более синий свет. Таким образом, вы можете адаптировать квантовые точки к определенным частотам света, просто изменив их размер.

Когда-то квантовые точки считались невозможными, но они стали популярным компонентом компьютерных мониторов, телевизионных экранов и светодиодов, а также других применений. Например, квантовые точки позволяют производителям телевизоров точно настраивать излучаемые цвета, обеспечивая более точную цветопередачу в более широком диапазоне, при этом потребляя меньше электроэнергии. Это полезно, так как заменять Органические красители, используемые для маркировки реактивных агентов в флуоресцентных биосенсорах, были включены в стеклянные окна, чтобы превратить эти окна в фотоэлектрические элементы, потенциально собирающие небольшое количество солнечной энергии для компенсации затрат на электроэнергию в доме.

В 2013 году немецкие физики построили… Эмпирическое уравнение Демон Максвелла с парой взаимодействующих квантовых точек. В 2015 году ученые Создание квантовых «точек мочи». Из переработанной мочи и используется для визуализации жизненно важных клеток мыши. Будущие приложения могут включать в себя включение квантовых точек в гибкую электронику, небольшие датчики и солнечные элементы или их использование в зашифрованных системах квантовой связи.

Авторы этой последней статьи работают в Барселонском институте науки и технологий (BIST) и компании Corve Technologies в Испании. Команда BIST искала способы производства нанокристаллов теллурида серебра-висмута для фотоэлектрических устройств и заметила, что теллурид серебра был одним из побочных продуктов. Теллурид серебра обладал идеальными свойствами для коллоидных квантовых точек, в первую очередь способностью к настройке. Поэтому команда сменила тактику и разработала процесс изготовления квантовых точек из теллурида серебра.

Полученные квантовые точки имели хорошее распределение размеров и их можно было настраивать в широком спектральном диапазоне, включая SWIR. Следующим шагом была интеграция этих квантовых точек в фотодетектор лабораторного масштаба. Отказ от типичной настройки устройства оказался непростой задачей, поскольку в большинстве устройств лабораторного масштаба одно из устройств светится снизу, тогда как комплекты CQD с КМОП-интеграцией включают яркий свет сверху, а электроника КМОП — снизу. Первая попытка оказалась лишь умеренно успешной, поскольку полученный фотодиод не работал должным образом в диапазоне SWIR.

Исследователи BIST изменили конструкцию датчика, добавив дополнительный изолирующий слой, чтобы решить проблему, создав более эффективный датчик SWIR. Затем они в сотрудничестве с учеными Korf создали экспериментальный датчик изображения SWIR, изготовленный из нетоксичных квантовых точек, работоспособный при комнатной температуре. Им удалось сделать снимки движущихся кремниевых пластин в SWIR-свете и заглянуть внутрь непрозрачных пластиковых бутылок в видимом свете. Следующим шагом будет перепроектирование массива слоев для улучшения характеристик фотодиода, а также исследование другого химического состава поверхности.

Естественная фотоника, 2024. DOI: 10.1038/с41566-023-01345-3 (О цифровых удостоверениях личности).