Schematisk över enhetsstrukturen för QD/AOS hybridfototransistorn. (A) En schematisk tredimensionell vy av en fototransistoruppsättning. (B) Optisk absorption av QDs som används för att tillverka fullfärgsdetektorerna. (C) PbS QDs (10 nm diameter), CdSe QDs (7 nm diameter), CdSe QDs (5 nm diameter), och CdS QDs (3 nm diameter) absorberar IR, röd, grön, och blått, respektive. (D) Tredimensionell avtrycksbild av fototransistor och (E och F) motsvarande HRTEM-bilder i tvärsnitt. Skala staplar, 50 nm (E) och 5 nm (F). a.u., godtyckliga enheter. Fotokredit:Jaehyun Kim, Bildskärmar och enhetsforskningslabb. Skolan för elektro- och elektronikteknik, Chung-Ang University, Seoul 06974, Korea. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax8801
Fullfärgsfotodetektorer som kan omvandla ljus till elektriska signaler utan sofistikerade färgfilter och interferometrisk optik har fått stor uppmärksamhet för utbredda tillämpningar. Dock, tekniska utmaningar har hindrat forskare från att kombinera multispektrala halvledare och förbättra fotonöverföringseffektiviteten för att i praktiken bilda högpresterande optoelektroniska enheter. I en färsk rapport om Vetenskapens framsteg , Jaehyun Kim och ett forskarteam inom materialvetenskap och ingenjörskonst i USA och Korea, beskrev en lågtemperaturtillverkad (150 grader C), tvådimensionellt (2-D) pixlar, fullfärgsfotodetektor som använder monolitisk integration av kvantprickar kopplade till amorfa indium-gallium-zink-oxid-halvledare.
De introducerade kelatbildande chalcometallate (kombinerade syntetisk metall/halvledare) ligander för att framgångsrikt realisera högeffektiv laddningsbärartransport och fotoresistorfri finmönsterbildning av 2-D-skikt. Beståndsdelarna visade extremt hög fotodetektivitet och fotoresponsivitet över ett brett spektrum av våglängder. Baserat på dessa tekniker, forskargruppen implementerade en våglängdsurskiljbar fototransistorkretsarray på en hudliknande mjuk plattform som ett mångsidigt och skalbart tillvägagångssätt för att bilda bredspektrala bildsensorer och mänskligt orienterade biologiska enheter.
Materialforskare strävar efter att utveckla sammankopplade fullfärgs-fotodetektorer [som sträcker sig över ultraviolett (UV)-spektrum till infraröd (IR)]-fotodetektorer konstruerade på en hudliknande mjuk plattform för att samla in meningsfull information från människokroppen och den omgivande miljön. Sådan teknik kommer att ha tillämpningar som neuromorfa bildsensorer, mjuk robotik och som biologiska hälsoövervakare. Jämfört med enkel- eller smalbandsfotodetektion, 2-D fullfärgsfotodetektion på en enda plattform är avsevärt fördelaktigt för att få tillförlitlig och omfattande information. För att övervinna befintliga utmaningar med tillverkning av 2-D fullfärgsenheter, forskare hade tidigare utvecklat fotodetektorer med nya fotoavkännande material för att bilda enhetsarkitekturer för bredbandsfotodetektion. Dessa inkluderar kolloidala kvantprickar, amorfa oxidhalvledare (AOS), organiska halvledare, perovskitmaterial och 2D-material såsom grafen och dikalkogenider av övergångsmetall.
Även om tidigare framsteg är anmärkningsvärda, de inkluderade typiskt ett smalbandigt absorberande material med begränsad bandgapavstämningsförmåga och begränsad våglängdsurskiljande förmåga. För att övervinna gränser, kolloidala kvantprickar (QDs) har fått uppmärksamhet på grund av deras unika optoelektroniska egenskaper inklusive breda bandgap-avstämningsmöjligheter och ökade ljusabsorptionskoefficienter. Men de rapporteras fortfarande sällan under tillämpningar av mycket känslig fullfärgsfotodetektion.
Optoelektronisk mekanism för en QD-fototransistor. (A) Banddiagram av oljesyraliganderbaserad fototransistoranordning som visar den begränsade bärartransporten från CdSe QDs till a-IGZO-kanalskiktet. (B) Banddiagram av SCN-ligandbaserad fototransistorenhet som visar infångningen av både fotogenererade elektroner och hål mellan CdSe QDs och a-IGZO-kanalskiktgränssnitten. (C) Banddiagram för Sn2S64-ligandsbaserad fototransistorenhet som visar den lätta migreringen av fotogenererade elektroner från CdSe QDs till a-IGZO kanalskikt och fångade fotogenererade hål i QDs-skiktet. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax8801
I den nya studien, Kim et al. utvecklat ett mångsidigt och skalbart tillvägagångssätt med stor yta för att utöka detekteringsbandbredden för en fotodetektor från UV till IR. Forskarna använde monolitisk integration av QD:er med amorf indium-gallium-zink-oxid (a-IGZO)-baserade tunnfilmstransistorer (TFT) eller fototransistorer för att implementera en lågtemperatur 2-D in-pixel laddningsintegrerande krets (CIC) array för färgdiskriminering. För att uppnå ultrahög fotodetektivitet, de introducerade en elektriskt högpresterande och trap-reducerad kelatbildande chalcometallate ligand (kombinerad metallisk och halvledarligand) för QDs (quantum dots). Kim et al. fick också högupplöst mönstring av flera QD-lager via direkt fotomönster och visade att deras pixeliserade fototransistorer bildar en hudliknande, tvådimensionell fotodetektor som kan positionsberoende fotodetektion i full färg.
Forskargruppen genomförde två strategier för att realisera fotodetektion i fullfärg med hög känslighet; först designade de fotodetektorarkitekturen tillsammans med en in-pixelkrets för hög känslighet. De kombinerade sedan QDs med ett a-IGZO (indium-gallium-zink-oxid) aktivt lager för fullfärgsljusabsorption och högeffektiv laddningsuppsamling. De konstruerade den flexibla QD/a-IGZO fotodetektorn på ett ultratunt polyimid (PI) substrat. Använde sedan tvärsnitts högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) för att bekräfta stapling av QDs på a-IGZO-skiktet, tillsammans med enhetlig fördelning av QD-skiktet. För att upptäcka hela färgomfånget, teamet inkluderade en mängd QD-lager med olika bandgap på a-IGZO-lagret.
Forskare hade tidigare bäddat in halvledande QDs i flera optoelektroniska enheter, men laddningstransporten förblev ofta begränsad av ligander som förbinder QD:erna. För att förbättra enhetens laddningsöverföringseffektivitet, de undersökte ledande ligander inklusive etanditiol, tiocyanat och atomligander. Det nuvarande teamet av forskare valde Sn 2 S 6 4- som det ideala systemet från en mängd olika kalkometallatligander och utvalda SCN - ligandbaserade QDs som referens - på grund av omfattande undersökningar av deras höga ledningsförmåga och rörlighet i elektroniska enheter.
Gränssnittsegenskaper mellan QDs och AOS-kanalskiktet. (A och B) Bruseffektspektraldensitet för 7-nm CdSe QD/a-IGZO med SCN− och Sn2S64−ligandfototransistorer. (C och D) Skanna fotoströmavbildning (0 V källa per avloppsförspänning) av QD/a-IGZO-fototransistorn med Sn2S64− och SCN−ligander. Skala staplar, 5 μm. (E och F) Fotoströmprofil med en laservåglängd på 532 nm och en effekt på 0,45 μW från längs den blå streckade linjen i (C) och (D). Fotokredit:Jaehyun Kim, Bildskärmar och enhetsforskningslabb. Skolan för elektro- och elektronikteknik, Chung-Ang University, Seoul 06974, Korea. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax8801
I experimentuppställningen, SCN - capped QDs lätt sönderdelas för att bilda svavelvakanser på QD-ytan, förhindrar effektiv laddningsöverföring mellan QD:erna och a-IGZO-kanalskiktet. Jämförelsevis, bidentatet (donerar två par elektroner till en metallatom) Sn 2 S 6 4- ligander hade minimala svavelvakanser på QD-ytan. De fotogenererade elektronerna från Sn 2 S 6 4- capped QDs överförs därför effektivt till ledningsbandet i a-IGZO-kanalskiktet. Detta resulterade i en stor energibarriär och laddningsuppsamling med minimal fångst för att de fotogenererade hålen skulle stanna kvar i QD:erna eller nära QD/a-IGZO-gränssnittet.
Forskarna undersökte optiska svarsegenskaper hos QD/a-IGZO fototransistorer med en mängd olika spektroskopiska analyser, inklusive gränssnittsfällrelaterad brusanalys och skanningsfotoströmmikroskopi (SPCM). De noterade SCN - capped kadmium selenid (CdSe) fototransistorer för att ha cirka 10 3 gånger högre fälltäthet än Sn 2 S 6 4- capped CdSe QD/a-IGZO fototransistorer. Den Sn 2 S 6 4- capped fototransistor uppvisade en stor Gaussisk strömprofil med en solcellsdominerad process, medan SCN - kapslad fototransistor visade ett tydligt fototermoelektriskt svar. Som ett resultat, Kim et al. observerade fotoströmnivån för Sn 2 S 6 4- begränsade enheter vara mycket högre än SCN - kapslade enheter, på grund av den effektiva överföringen av fotogenererade elektroner från CdSe QDs till a-IGZO-skiktet utan problem med laddningsbärare.
VÄNSTER:Optoelektronisk prestanda för QD/AOS hybridfototransistorn. Fotoresponsegenskaper hos QD/a-IGZO-fototransistorn med (A) Sn2S64− och (B) SCN−ligander. (C) Fotokänslighet (R) och (D) fotodetektivitet (D*) under vitt ljus (1,36 mW cm−2) och bredbandsbelysning (infälld). Ljusintensiteter av UV, blå, grön, och rött är 1 mW cm−2, medan det för IR är 13,6 mW cm−2 och det för vitt ljus är 1,36 mW cm−2. (E) EQE och (F) dynamiskt område för 7-nm CdSe QD/a-IGZO med Sn2S64-liganden (blå linje) och SCN-liganden (röd linje) fototransistorn. Fotokredit:Jaehyun Kim, Bildskärmar och enhetsforskningslabb. Skolan för elektro- och elektronikteknik, Chung-Ang University, Seoul 06974, Korea. HÖGER:Finmönstrade QDs egenskaper. (A) Schematisk representation av QDs för att designa ljuskänsliga oorganiska ligander. (B) Optisk och (C) fältförstärkt svepelektronmikroskopi (FESEM) bilder av mönstrade CdSe QD:er täckta med Sn2S64−ligander. (D) CdS QDs, (E) PbS QDs. Skala staplar, 100 μm (B), 5 μm (C), 20 μm (D), och 10 μm (E). (F och G) Atomic force microscopy (AFM) skannar bild och höjdprofil av CdSe QDs från den blå streckade linjen. Skalstång, 5 μm. Fotokredit:Jaehyun Kim, Bildskärmar och enhetsforskningslabb. Skolan för elektro- och elektronikteknik, Chung-Ang University, Seoul 06974, Korea. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax8801
Forskargruppen jämförde ljuskänsligheten och fotodetektiviteten hos de två fototransistorerna under vitt ljus och bredbandsbelysning för att observera hög fotorespons i Sn 2 S 6 4- kapslade fototransistorer. De krediterade resultatet till det extremt låga flimmerljudet från enheten och hög ledande och fällreducerad Sn 2 S 6 4- ligander av CdSe QDs. Kim et al. registrerade vidare ett mindre fotosvar från 0,27 sekunder till 90 millisekunder; tillräckligt för fotodetektion och bildavkänningstillämpningar.
För att garantera hög fotodetektivitet och minska strömläckor i enheterna, de mönstrade högupplösta QD-lager med en CMOS-kompatibel, direkt fotomönsterprocess. Med hjälp av fältförstärkt svepelektronmikroskopi (FESEM) och atomkraftmikroskopi (AFM) bilder, forskarna bekräftade tydliga mönster av QD-lager med en tjocklek på ungefär 17 nm. Efter att ha konstruerat en fullfärgs (UV-till-IR) laddningsintegrerande krets (CIC) som innehåller direkt fotomönstrade QD-lager, de använde ett a-IGZO-skikt som ett kanalmaterial för att styra eller byta och våglängdsdiskriminera de integrerade kretsarna. Den experimentella uppställningen tillät in-pixelförstärkning, fullfärgs- och UV-detektion.
VÄNSTER:CIC-arrayegenskaper för fullfärgsurskiljning. (A) Schematiskt diagram av CIC och logiktabell för fullfärgssignaldetektering i en pixel. (B) Optisk mikrofotografi av de delvis mönstrade QD:erna inklusive IR PbS (T1, 10 nm), röd CdSe (T2, 7 nm), grön CdSe (T3, 5 nm), och blå CdS (T4, 3 nm) och blotta a-IGZO fototransistorer och schemat för förstärkningskretsen. RTN är kanalresistansen för last-TFT (T1 till T4), och RT6 är kanalresistansen för drivrutinen TFT (T6). Här, kanalbredd/längd är 100/50 μm (belastnings-TFT), 200/10 μm (T5), och 5/200 μm (T6). Skalstång, 50 μm. (C till G) Fotoresponsegenskaper hos T1, T2, T3, T4, och T5/T6 med avseende på ljusets våglängd. (H) Utström från den fem-kanaliga fullfärgsfotodetektorn. (I) Blandad ljusdiskriminering. Ljusintensiteter av UV, blå, grön, och rött är 1 mW cm−2, medan det för IR är 13,6 mW cm−2. För gult, rött (0,5 mW cm−2) och grönt (0,5 mW cm−2) blandades, och för cyan, grön (0,5 mW cm-2) och blå (0,5 mW cm-2) blandades. Fotokredit:Jaehyun Kim, Bildskärmar och enhetsforskningslabb. Skolan för elektro- och elektronikteknik, Chung-Ang University, Seoul 06974, Korea. HÖGER:Tvådimensionella kartprogram i fullfärg. (A) Schematisk illustration av 10 x 10 CIC-matrisen. (B) Optisk mikrofotografi av 10 x 10 CIC-arrayen på ett ultratunt PI-substrat och tillhörande kretsschema (höger). Skala staplar, 1 mm och 300 μm (infälld). (C) Relevant intensitetsprofil rekonstruerad från utströmskartläggning av 10 gånger 10 CIC-matrisen på ett ultratunt PI-substrat med avseende på ljusets våglängd [IR (1310 nm), R (638 nm), G (520 nm), B (406 nm), och UV (365 nm)]. Ljusintensiteter av UV, blå, grön, och rött är 1 mW cm−2, medan det för IR är 13,6 mW cm−2. Skalstång, 3 mm. (D) Tvådimensionella kartbilder med runda och ränder med vitt ljus (halogenlampa med 1,36 mW cm−2). Skalstång, 3 mm. (E) Fotografi av flexibelt hälsoövervakningssystem av bandtyp som består av fyra ljuskällor och fototransistorbaserade kretsarrayer (CIC) fästa på en pekfingertopp. (F) Tvådimensionella biologiska kartläggningsbilder i fullfärg av mänsklig fingertopp med avseende på ljusets våglängd. Ljusintensiteter av blått, grön, och rött är 3 mW cm−2, medan det för IR är 13,6 mW cm−2. Varje ljus placeras på motivets finger, och det transmitterade ljuset samlas upp med den fototransistorbaserade CIC-matrisen placerad under fingret. Fotokredit:Jaehyun Kim, Bildskärmar och enhetsforskningslabb. Skolan för elektro- och elektronikteknik, Chung-Ang University, Seoul 06974, Korea. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aax8801
För att demonstrera möjliga tillämpningar av den hudliknande fotodetektorplattformen i full färg, Kim et al. preparerade en 10 x 10 multiplexerad QD/a-IGZO fotodetektormatris på ett PI (polyimid) substrat och förvärvade en stor mängd våglängdsberoende data. Teamet 2-D kartlade utströmmen som erhölls från fotodetektormatrisen under belysning av fem olika ljuskällor (infraröd, röd, grön, blått och UV), där de flesta av pixlarna visade rumsligt enhetlig strömfördelning till motsvarande ljuskällor. Kim et al. använde sedan enheten för biologiska tillämpningar och övervakade blodets syremättnadsnivåer i pekfingret genom att mäta olika våglängder av ljus genom de kapillära blodkärlen. Den resulterande 2-D kartdata för olika ljuskällor visade specifik transmittans beroende på våglängden. Resultaten kan leda till kritiska framsteg av mer tillförlitlig och exakt diagnostik i hälsoövervakningssystem.
På det här sättet, Jaehyun Kim och kollegor presenterade lågtemperaturtillverkade, olika QD-baserade fototransistorer och deras in-pixel CIC-arrayer för att överträffa konventionella fotodiodbaserade sensorer. Enheterna löste befintliga begränsningar av state-of-art flexibla fotodetektorer för fullfärgsfotodetektion från UV till IR för mycket tillförlitlig, 2-D fotodetektion. Enhetens våglängdsdiskriminerande potential kan öppna nya möjligheter för fotodetektionsanordningar och elektronik. Liknande, de ljuskänsliga och högledande kelatbildande chalcometallate liganderna överförde perfekt fotogenererade elektroner till ett aktivt halvledarskikt, utan elektroninfångning för extremt hög ljuskänslighet och fotodetektion. Plattformarna kan bäddas in för att skapa en enkel väg för en mängd olika bioavbildningstillämpningar.
© 2019 Science X Network
