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(noticias nanowerk) Invisible a nuestros ojos, la luz infrarroja de onda corta (SWIR) puede permitir una confiabilidad, funcionamiento y rendimiento sin precedentes en aplicaciones de visión por computadora de gran volumen en los mercados de robótica de servicios, automoción y electrónica de consumo. Los sensores de imagen con sensibilidad SWIR pueden funcionar de forma fiable en condiciones adversas como luz solar intensa, niebla, neblina y humo. Además, la serie SWIR ofrece fuentes de iluminación seguras para los ojos y abre la posibilidad de capturar propiedades de materiales a través de imágenes moleculares.
La tecnología de sensor de imagen basada en puntos cuánticos coloidales (CQD) ofrece una plataforma tecnológica prometedora para habilitar sensores de imagen compatibles de alto volumen en SWIR. Los CQD, cristales semiconductores nanométricos, son una plataforma de materiales procesados en solución que pueden integrarse en CMOS y proporcionar acceso a la región SWIR. Sin embargo, existe un obstáculo fundamental para la implementación de puntos cuánticos sensibles a SWIR en tecnologías clave para aplicaciones del mercado masivo porque a menudo contienen metales pesados como plomo o mercurio (IV-VI Pb, semiconductor de calcogenuro de Hg). Estos materiales están sujetos a RoHS (Restricción de sustancias peligrosas), una directiva europea que regula su uso en aplicaciones comerciales de electrónica de consumo.
En un nuevo estudio publicado en Fotónica de la naturaleza (“Fotodetectores infrarrojos y sensores de imagen de puntos cuánticos coloidales de teluro de plata”), investigadores del ICFO Yongjie Wang, Lucheng Peng y Aditya Malla, dirigidos por el profesor ICREA en el ICFO Gerasimos Konstantatos, en colaboración con los investigadores Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black y Stijn Goossens de Qurv han informado sobre el desarrollo de fotodetectores infrarrojos de alto rendimiento y un sensor de imagen infrarrojo de onda corta (SWIR) que funciona a temperatura ambiente basado en puntos cuánticos coloidales no tóxicos.
El estudio describe un nuevo método para la síntesis de telururo de plata libre de fosfina y de tamaño ajustable (Ag2Te) puntos cuánticos conservando al mismo tiempo las propiedades beneficiosas de sus homólogos tradicionales de metales pesados, allanando el camino para la introducción de la tecnología de puntos cuánticos coloidales SWIR en mercados de gran volumen.
Al investigar cómo producir telururo de plata y bismuto (AgBiTe2) nanocristales para ampliar la cobertura espectral del AsBiS2 Utilizando tecnología para mejorar el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos, los investigadores obtuvieron telururo de plata (Ag2Te) como subproducto. Este material mostró una absorción cuántica confinada fuerte y sintonizable, similar a los puntos cuánticos. Al reconocer el potencial de los fotodetectores y sensores de imagen SWIR, centraron sus esfuerzos en desarrollar y controlar un nuevo proceso para sintetizar versiones libres de fosfina de puntos cuánticos de telururo de plata, ya que se descubrió que la fosfina tiene un efecto adverso en las propiedades optoelectrónicas de los puntos cuánticos. relevantes para la fotodetección.
En su nuevo método de síntesis, el equipo utilizó varios complejos libres de fosfina, como precursores de telurio y plata, obteniendo puntos cuánticos con una distribución de tamaño bien controlada y picos excitónicos en un rango muy amplio del espectro. Una vez fabricados y caracterizados, los nuevos puntos cuánticos sintetizados demostraron un rendimiento notable con distintos picos de excitones por encima de 1.500 nm, un rendimiento sin precedentes en comparación con las técnicas anteriores de fabricación de puntos cuánticos basadas en fosfina.
Luego, los investigadores decidieron utilizar los puntos cuánticos libres de fosfina obtenidos para fabricar un fotodetector simple a escala de laboratorio sobre el sustrato de vidrio estándar común recubierto de ITO para caracterizar los dispositivos y medir sus propiedades.
“Estos dispositivos a escala de laboratorio funcionan con luz desde abajo. En las pilas CQD integradas con CMOS, la luz proviene de la parte superior, mientras que la parte inferior del dispositivo está ocupada por la electrónica CMOS”, comenta Yongjie Wang, investigador postdoctoral en ICFO y autor principal del estudio. “El primer desafío que tuvimos que superar fue revertir la configuración del dispositivo. Un proceso que suena simple en teoría, pero que en realidad resultó ser una tarea desafiante”.
Inicialmente, el fotodiodo mostró un rendimiento deficiente en la captura de luz SWIR, lo que llevó a un rediseño con una capa amortiguadora. Este ajuste mejoró significativamente el rendimiento del fotodetector, lo que dio como resultado un fotodiodo SWIR con un rango espectral de 350 nm a 1600 nm, un rango dinámico lineal de más de 118 dB, un ancho de banda de -3 dB en 110 kHz y capacidad de detección. Temperatura ambiente en el orden de 1012 Jones.
«Hasta donde sabemos, los fotodiodos presentados aquí, por primera vez, se han realizado con fotodiodos infrarrojos de onda corta no tóxicos y procesados en solución cuyos valores de rendimiento están a la par con los de otros homólogos que contienen metales pesados», mencionó. Gerasimos Konstantatos, profesor ICREA en ICFO y autor principal del estudio. “Estos resultados respaldan aún más el hecho de que Ag2«Los puntos cuánticos están surgiendo como un material prometedor que cumple con RoHS para aplicaciones de fotodetectores SWIR de alto rendimiento y bajo costo».
Tras el exitoso desarrollo de este fotodetector de puntos cuánticos sin metales pesados, los investigadores dieron un paso más y se asociaron con Qurv, una empresa derivada del ICFO, para demostrar su potencial mediante la construcción de un sensor de imagen SWIR como caso de estudio. El equipo integró el nuevo fotodiodo en una matriz de plano focal (FPA) basada en CMOS con circuito integrado de lectura (ROIC), demostrando por primera vez un sensor de imagen de punto cuántico SWIR a temperatura ambiente, no tóxico y de prueba de concepto. Los autores del estudio probaron el generador de imágenes para demostrar su funcionalidad en SWIR tomando múltiples imágenes de un objeto objetivo. En particular, pudieron obtener imágenes de la transmisión de obleas de silicio bajo luz SWIR y revelar el contenido de botellas de plástico que eran opacas en el rango de luz visible.
«Acceder al SWIR con una tecnología de bajo coste para la electrónica de consumo desbloqueará el potencial de esta gama espectral con una amplia gama de aplicaciones, incluidos sistemas de visión mejorados para la industria automotriz (automóviles), que permiten la visión y la conducción en condiciones climáticas adversas». dice Gerasimos Konstantatos. «La banda SWIR con un tamaño de aproximadamente 1,35-1,40 µm puede proporcionar una ventana segura para los ojos sin luz de fondo en condiciones de día/noche, permitiendo aún más imágenes tridimensionales para la industria automotriz, LiDAR.» Aplicaciones de realidad y realidad virtual».
Ahora los investigadores quieren aumentar el rendimiento de los fotodiodos desarrollando la pila de capas que componen el dispositivo fotodetector. También quieren explorar nuevas químicas de superficie para la agricultura.2Los puntos cuánticos mejoran el rendimiento y la estabilidad térmica y ambiental del material en el camino hacia su disponibilidad para el mercado.
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