Digitalkameror såväl som många andra elektroniska enheter behöver ljuskänsliga sensorer. För att tillgodose den ökande efterfrågan på optoelektroniska komponenter av detta slag, industrin letar efter nya halvledarmaterial. De är inte bara tänkta att täcka ett brett spektrum av våglängder utan bör också vara billiga. Ett hybridmaterial, utvecklat i Dresden, uppfyller båda dessa krav. Himani Arora, en fysik Ph.D. student vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), visade att detta metallorganiska ramverk kan användas som en bredbandsfotodetektor. Eftersom den inte innehåller några kostnadskrävande råvaror, den kan tillverkas billigt i bulk.

Under de senaste tjugo åren, metall-organiska ramverk (MOF) har blivit ett eftertraktat materialsystem. Än så länge, dessa mycket porösa ämnen, upp till 90 procent av dessa består av tomt utrymme, har till stor del använts för att lagra gaser, för katalys eller för att långsamt frigöra läkemedel i människokroppen. "Den metallorganiska ramföreningen som utvecklats vid TU Dresden består av ett organiskt material integrerat med järnjoner, " förklarar Dr. Artur Erbe, chef för gruppen "Transport in Nanostructures" vid HZDR:s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Det speciella med det är att ramverket bildar överlagrade lager med halvledande egenskaper, vilket gör det potentiellt intressant för optoelektroniska applikationer. "

Gruppen hade idén att använda den nya halvledande tvådimensionella MOF som fotodetektor. För att fortsätta med det, Himani Arora undersökte halvledarens elektroniska egenskaper. Hon utforskade, bland andra, i vilken utsträckning ljuskänsligheten var beroende av temperatur och våglängd – och kom till en lovande slutsats:Från 400 till 1, 575 nanometer, halvledaren kunde detektera ett brett spektrum av ljusvåglängder. Strålningsspektrumet går alltså från ultraviolett till nära infrarött. "Det här är första gången vi har bevisat en sådan bredbandsfotodetektion för en fotodetektor helt baserad på MOF-lager, "noterar doktoranden." Dessa är idealiska egenskaper för att använda materialet som ett aktivt element i optoelektroniska komponenter. "

Litet bandgap ger effektivitet

Spektrum av våglängder som ett halvledande material kan täcka och omvandla till elektriska signaler beror i huvudsak på det så kallade bandgapet. Experter använder denna term för att beskriva det energetiska avståndet mellan valensbandet och ledningsbandet för ett material i fast tillstånd. I typiska halvledare, valensbandet är helt fullt, så elektronerna kan inte röra sig. ledningsbandet, å andra sidan, är i stort sett tomt, så att elektronerna kan röra sig fritt och påverka strömflödet. Medan bandgapet i isolatorer är så stort att elektronerna inte kan hoppa från valansbandet till ledningsbandet, metallledare har inga sådana luckor. En halvledares bandgap är precis tillräckligt stor för att höja elektronerna till den högre energinivån i ledningsbandet genom att använda ljusvågorna. Ju mindre bandgap, desto mindre energi krävs för att excitera en elektron. "Eftersom bandgapet i materialet vi utforskade är mycket litet, endast mycket lite ljusenergi krävs för att inducera elektriciteten, " förklarar Himani Arora. "Detta är anledningen till det stora utbudet av det detekterbara spektrumet."

Genom att kyla ner detektorn till lägre temperaturer, prestandan kan förbättras ytterligare eftersom den termiska exciteringen av elektronerna undertrycks. Andra förbättringar inkluderar optimering av komponentkonfigurationen, skapa mer pålitliga kontakter och utveckla materialet vidare. Resultaten tyder på att de MOF-baserade fotodetektorerna kommer att ha en ljus framtid. Tack vare deras elektroniska egenskaper och billig tillverkning, MOF-lager är lovande kandidater för en rad optoelektroniska applikationer.

"Nästa steg är att skala lagertjockleken, säger Artur Erbe, ser fram emot. "I studien, 1,7 mikrometer MOF-filmer användes för att bygga fotodetektorn. För att integrera dem i komponenter, de måste vara betydligt tunnare." Om möjligt, Målet är att minska de överlagrade lagren till 70 nanometer, det är, 25 gånger mindre än deras storlek. Ned till denna skikttjocklek bör materialet uppvisa jämförbara egenskaper. Om gruppen kan bevisa att funktionaliteten förblir densamma i dessa betydligt tunnare lager, de kan sedan börja utveckla den till produktionsstadiet.