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皮肤般的二维像素化全色量子点光电探测器

无需复杂的彩色滤光片和干涉光学器件即可将光转换为电信号的全色光电检测器已受到广泛应用的关注。然而,技术挑战阻碍了科学家结合多光谱半导体和提高光子传输效率以在实践中形成高性能的光电器件。在最近的《科学进展》报告中,Jaehyun Kim和美国和韩国的材料科学与工程研究团队描述了一种低温制造的(150摄氏度),二维(2-D)像素化全彩色量子点单片集成的光电探测器 耦合到非晶铟镓锌氧化物半导体。

他们引入了螯合的金属铝盐(合成的金属/半导体组合)配体,以成功实现高效的载流子传输和二维层的无光致抗蚀剂精细图案化。这些成分在很宽的波长范围内均显示出极高的光探测性和光响应性。基于这些技术,研究团队在类似皮肤的软平台上实现了波长可分辨的光电晶体管电路阵列,以此作为一种通用且可扩展的方法来形成宽光谱图像传感器和面向人类的生物设备。

材料科学家旨在开发相互连接的全色[范围从紫外线(UV)到红外(IR)]的光电探测器,该探测器是在类似皮肤的软平台上设计的,以从人体和周围环境收集有意义的信息。此类技术将具有神经形态图像传感器,软机器人技术和生物健康监测器的应用。与单带或窄带光电检测相比,在单个平台上进行二维全色光电检测显着有利于获得可靠且广泛的信息。为了克服2D全色设备制造的现有挑战,研究人员先前已经开发了具有新型光敏材料的光电探测器,以形成用于宽带光电探测的器件架构。这些包括胶体量子点,无定形氧化物半导体(AOS),有机半导体,钙钛矿材料和二维材料,例如石墨烯和过渡金属二卤化物。

尽管先前的进步是值得注意的,但它们通常包括具有有限的带隙可调性和有限的波长区分能力的窄带吸收材料。为了克服这些限制,胶体量子点(QD)由于其独特的光电特性(包括宽带隙可调性和增加的光吸收系数)而受到关注。但是在高度敏感的全色光电检测应用中,仍然很少有报道。

在新的研究中,Kim等人。开发了一种通用且可大面积扩展的方法,以将光电探测器的检测带宽从UV扩展到IR。科学家使用QD与基于非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)的薄膜晶体管(TFT)或光电晶体管的单片集成来实现低温2D像素内电荷积分电路(CIC)颜色区分的数组。为了实现超高的光电探测性,他们为QD(量子点)引入了一种电性能好并且陷阱减少的螯合金属金属盐和半导体金属盐的螯合剂。Kim等。还通过直接光图案化获得了多个QD层的高分辨率图案化并展示了它们的像素化光电晶体管,从而形成了一种皮肤状的二维光电探测器,能够进行位置相关的全色光电检测。

研究团队实施了两种策略来实现高灵敏度的全色光电检测:首先,他们与像素内电路一起设计了光电探测器架构,以实现高灵敏度。然后,他们将量子点与a-IGZO(铟镓锌氧化物)有源层结合在一起,以吸收全色光并高效收集电荷。他们在超薄聚酰亚胺(PI)基板上设计了灵活的QD / a-IGZO光电探测器。然后使用截面高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)来确认QD在a-IGZO层上的堆叠以及QD层的均匀分布。为了检测整个色彩范围,该团队在a-IGZO层上包括了具有不同带隙的各种QD层。

科学家先前已经将半导体QD嵌入到多个光电设备中,但是电荷传输仍然经常受到连接QD的配体的限制。为了提高器件的电荷转移效率,他们研究了导电配体,包括乙二硫醇,硫氰酸盐和原子配体。研究人员的本团队选择的Sn 2小号6 4-作为理想系统从各种chalcometallate的配体和所选SCN -配体-量子点基于作为基准由于广泛的调查,以在电子器件中的高导电性和流动性。

在实验设置中,SCN -封端的易分解以形成硫空位的QD表面上的QD,防止量子点和a-IGZO沟道层之间的有效的电荷转移。比较而言,双齿(向金属原子提供两对电子)Sn 2 S 6 4-配体在QD表面具有最小的硫空位。因此,由Sn 2 S 6 4-封盖的QD产生的光生电子有效地转移到a-IGZO沟道层的导带中。这导致了较大的能垒和电荷收集,而光阱保留在QD中或QD / a-IGZO界面附近的捕获却最少。

科学家们通过各种光谱分析研究了QD / a-IGZO光电晶体管的光学响应特性,包括界面陷阱相关的噪声分析和扫描光电流显微镜(SPCM)。他们注意到SCN -封端的硒化镉(硒化镉)光电晶体管为具有大约10 3倍高陷阱密度除Sn 2小号6 4-包覆的CdSe QD / A-IGZO光电晶体管。Sn的2小号6 4-封盖光电晶体管表现出大的高斯电流分布与光伏主导过程,而SCN -封端的光电晶体管表现出明显的光电热响应。结果,金等。观察到Sn的光电流电平2小号6 4-封端设备到远高于SCN -封端的设备中,由于光生电子从量子点的CdSe的有效地传输到一个-IGZO层不具有电荷载流子俘获问题。

该研究小组比较了在白光和宽带照明下两个光电晶体管的光敏性和光探测性,以观察在Sn 2 S 6 4-封端的光电晶体管中的高光响应。他们将结果归因于该设备的极低闪烁噪声以及高导电性和捕集率降低的CdSe QDs Sn 2 S 6 4-配体。Kim等。进一步记录了较小的光响应,范围从0.27秒到90毫秒;足够用于光电检测和图像传感应用。

为了保证高光电检测率并减少器件中的电流泄漏,他们使用兼容CMOS的直接光图案化工艺对高分辨率QD层进行了图案化。使用场增强扫描电子显微镜(FESEM)和原子力显微镜(AFM)图像,研究人员证实了QD层的清晰图案,厚度约为17 nm。在设计出包含直接进行光电图案化的QD层的全色(UV-to-IR)电荷积分电路(CIC)之后,他们使用a-IGZO层作为通道材料来控制或切换和波长区分集成电路。实验设置允许像素内放大,全色和紫外线检测。

左:用于全色识别的CIC阵列特性。(A)一个像素中全色信号检测的CIC和逻辑表的示意图。(B)包括IR PbS

为了演示类似皮肤的全色光电探测器平台的可能应用,Kim等人。在PI(聚酰亚胺)基板上准备了一个10 x 10的多路复用QD / a-IGZO光电探测器阵列,并获取了大量的波长相关数据。二维二维团队将在五个不同光源(红外,红色,绿色,蓝色和紫外线)的照明下,从光电探测器阵列获得的输出电流进行了映射,其中大多数像素向相应的光源显示了空间均匀的电流分布。Kim等。然后将该装置用于生物学应用,并通过测量通过毛细血管的各种波长的光来监测食指中的血氧饱和度。所得的用于各种光源的二维图数据显示出特定的透射率,具体取决于波长。

通过这种方式,Jaehyun Kim及其同事展示了低温制造的,多种基于QD的光电晶体管及其像素内CIC阵列,其性能优于传统的基于光电二极管的传感器。这些设备解决了现有的先进柔性光电探测器的局限性,可实现从UV到IR的全色光电检测,以实现高度可靠的2D光电检测。该设备的波长区分潜力可以为光电检测设备和电子设备开辟新的前景。类似地,光敏且高导电的螯合金属铝酸盐配体可将光生电子完美地转移到活性半导体层,而无需电子捕获,从而获得极高的光敏性和光检测能力。该平台可以被嵌入,以设计用于各种生物成像应用的便捷路线。

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