diciembre 11, 2023

Películas de nanotubos de carbono como fotodetectores ultrasensibles: avances y desafíos

Con una mayor optimización e investigación, las películas de nanotubos de carbono de pared simple semiconductores altamente purificados (s-SWCNT) superarán el rendimiento y la eficiencia de los fotodetectores actuales a un costo significativamente menor. La tecnología se integrará en varios dispositivos optoelectrónicos capaces de detectar y procesar la luz. Créditos: Energía de investigación nano

Los nanotubos de carbono de pared simple semiconductores (s-SWCNT) se están utilizando para desarrollar una tercera generación de fotodetectores infrarrojos de onda corta optimizados que mejorarán el tamaño de píxel, el peso, el consumo de energía, el rendimiento y el costo en comparación con los fotodetectores convencionales fabricados con materiales tradicionales.

Los fotodetectores infrarrojos de onda corta ultrasensibles, que detectan un subconjunto de longitudes de onda de luz infrarroja de onda corta fuera del espectro visual, tienen muchas aplicaciones potenciales, incluida la vigilancia nocturna, la navegación en condiciones climáticas adversas, las comunicaciones de fibra óptica y el control de calidad de los semiconductores.

Los fotodetectores infrarrojos de onda corta se fabrican tradicionalmente con materiales III-V, como el arseniuro de indio y galio (InGaAs). Sin embargo, los fotodetectores de InGaAs son costosos y la investigación actual sobre materiales alternativos para fotodetectores, como los s-SWCNT, idealmente reduciría el costo de los fotodetectores infrarrojos de onda corta al mismo tiempo que aumentaría el rendimiento y la eficiencia.

Un grupo de científicos destacados de la Universidad de Pekín describió la tecnología actual y los desafíos asociados con el desarrollo de películas s-SWCNT en fotodetectores infrarrojos de onda corta para motivar una mayor investigación y aplicación de la tecnología. Los avances actuales en la tecnología de purificación de soluciones facilitarán el desarrollo de películas de s-SWCNT de alta pureza adecuadas para aplicaciones y dispositivos optoelectrónicos homogéneos, de alto rendimiento y de gran área que detectan y procesan la luz, incluidos los fotodetectores.

Se debe lograr una mayor optimización de la pureza, el grosor, la claridad y la alineación de la matriz de la película antes de que las películas S puedan alcanzar o superar el nivel de rendimiento de los fotodetectores tradicionales más costosos hechos de InGaA o materiales similares.

El equipo publicó su análisis en la edición del 16 de marzo de Energía de investigación nano.

«Revisar el progreso de los fotodetectores de película s-SWCNT puede aclarar el estado actual de la investigación, los desafíos y las aplicaciones de los fotodetectores de película s-SWCNT y la integración optoelectrónica», dijo Sheng Wang, uno de los autores del artículo de revisión y profesor asociado de la Facultad. de Electrónica en la Universidad de Pekín, China.

«Describimos la tecnología s-SWCNT en tres secciones: (1) el estado de investigación actual de los fotodetectores de película s-SWCNT, (2) el estado de investigación actual de la integración optoelectrónica monolítica/tridimensional basada en fotodetectores de película s-SWCNT y ( 3) la película s-SWCNT y los requisitos de estructura del dispositivo para el fotodetector de película s-SWCNT ideal y la integración optoelectrónica», dijo Wang.

«El próximo paso en el campo es mejorar el rendimiento del fotodetector de película s-SWCNT mediante la optimización de las películas s-SWCNT y la estructura del dispositivo. Para la optimización de la película s-SWCNT, la pureza del semiconductor de una película s-SWCNT uniforme debe ser más del 99,9999 %», dijo Wang.

Alcanzar estos niveles de pureza no es poca cosa. Los primeros métodos de limpieza intentaron quemar las impurezas de s-SWCNT después de que crecieran las películas, pero dieron como resultado películas con muchos defectos. Desde entonces, los polímeros conjugados se han utilizado para purificar los s-SWCNT no solo de las impurezas, sino también de su diámetro, ya que los diferentes diámetros de los s-SWCNT determinan qué longitudes de onda se pueden absorber. Recientemente, un proceso de clasificación logró el nivel de pureza de s-SWCNT requerido para la electrónica de alto rendimiento.

También se requiere optimización en la preparación de la película s-SWCNT, incluidos el grosor, la claridad y la alineación. Se han desarrollado muchos métodos para hacer crecer películas de s-SWCNT, pero los métodos de deposición y recubrimiento por inmersión a menudo se prefieren por su simplicidad, estabilidad y las películas homogéneas que producen. Un método de recubrimiento por inmersión escalable y eficiente controla la deposición de s-SWCNT simplemente cambiando la cantidad de veces que se elimina el sustrato de un solvente orgánico de s-SWCNT dispersos y la velocidad de cada elevación.

El campo de la electrónica reconoce el potencial de los s-SWCNT como un material adecuado para detectores infrarrojos de onda corta de alto rendimiento, pero existe una gran brecha de rendimiento entre los fotodetectores tradicionales, hechos de materiales como InGaAs, y los fotodetectores de película s-SWCNT. «El objetivo final es optimizar el rendimiento de los fotodetectores de película s-SWCNT, para que puedan compararse con los fotodetectores comerciales a un costo menor», dijo Wang.

Los investigadores creen que este aumento en el rendimiento y la disminución en el costo darán como resultado la incorporación de más películas de fotodetectores infrarrojos de onda corta en los dispositivos y el desarrollo de nuevas aplicaciones optoelectrónicas en el futuro. El campo también busca integrar nanotubos de carbono de alto rendimiento en circuitos eléctricos.

Información adicional:
Xiang Cai et al, Desarrollo reciente de fotodetector basado en película de nanotubos de carbono y aplicación en integración optoelectrónica, Energía de investigación nano (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120058

Proporcionado por Prensa de la Universidad de Tsinghua

Cita: Películas de nanotubos de carbono como fotodetectores ultrasensibles: avances y desafíos (2023, 17 de marzo) recuperado el 19 de marzo de 2023 de

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