Ljuskällor och detektorer är nyckelkomponenter i otaliga tekniska enheter på marknaden idag. Till exempel, ljusdioder (LED) används ofta som ljuskälla i displayer och annan teknik, medan fotodioder används för att detektera ljus i sensorer, verktyg för bildbehandling och fiberoptisk kommunikation.

Befintliga ljuskällor och detektorer består av två olika typer av enheter med markant olika funktioner. Utveckla en enhet som både kan generera och upptäcka ljus, dock, kan möjliggöra design av mindre och smartare teknik.

Forskare vid Linköpings universitet i Sverige, Shenzhenuniversitetet och flera andra universitet i Kina har nyligen tillverkat en effektiv diod som kan både avge och detektera ljus. Denna nya enhet, presenteras i ett papper publicerat i Nature Electronics , byggdes med hjälp av ett lösningsbehandlat perovskitmaterial.

"Om vi ​​hade en dubbel funktionell enhet som effektivt kunde avge och detektera ljus, vi kan använda en enda enhet för att utföra det arbete som vanligtvis kräver två konventionella enheter, "Feng Gao, huvudutredare för studien, berättade TechXplore. "Detta kan inte bara minska hur mycket enheter kostar, men också underlätta integrationen av ljuskällor och detektorer i optoelektroniska chips. "

I en tidigare studie presenterades i Nature Photonics , Gao och hans kollegor identifierade en mekanism som kallas 'passiveringseffekten' i perovskitfilmer, som är framväxande material som används för att bygga lysdioder. De konstruerade sedan en effektiv passivator (dvs. ett ämne som kan reparera defekterna i halvledaren) och använde det för att förbättra kvanteffektiviteten hos nära infraröda perovskit -lysdioder till över 21%.

"Baserat på detta tidigare arbete, vi studerade vidare ljusdetekteringsfunktionen för dessa enheter och fann att de också visar anmärkningsvärd fotodetekteringsprestanda, "Chunxiong Bao, en av forskarna som genomförde studien, berättade TechXplore. "I vår senaste studie, vi fokuserade våra ansträngningar på att samtidigt förbättra ljusemitterings- och detekteringsprestanda för perovskitbaserade dioder, demonstrera deras genomförbarhet som effektiva ljusemitterande och detekterande "två-i-ett" -enheter. "

Perovskitmaterialet som Gao, Bao och deras kollegor brukade bygga sin diod har flera unika fotoelektriska egenskaper. Förutom en hög fotoluminescens kvanteffektivitet (PLQE), som är idealisk för utveckling av högpresterande lysdioder, materialet har en hög absorptionskoefficient, möjliggör fotodetektering.

Materialet uppvisar också en hög bärarrörlighet och kan således användas för att tillverka filmer av olika tjocklekar. Till sist, forskarna observerade en stor överlappning mellan perovskitens absorption och fotoluminescensspektra. Detta innebär att materialet också kan absorbera ljuset som avges av sig själv.

Kombinerad, alla dessa egenskaper möjliggör skapandet av högpresterande lysdioder och fotodetektorer, baserat på samma plana övergångsstruktur. Med andra ord, dessa egenskaper är vad som slutligen tillät Gao, Bao och deras kollegor för att skapa en enda enhet som både kan avge och upptäcka ljus.

Dioden de utvecklade visade sig uppnå ljusemission med en extern kvanteffektivitet på över 21% och en ljusdetekteringsgräns i subpicowatt -skalan. Det kan också uppnå driftshastigheter på tiotals megahertz både när de sänder och detekterar ljus, presterar anmärkningsvärt bra för varje funktion. Dessutom, när den används som en detektor, enheten är också känslig för ljuset som avges av sig själv.

"Det är mycket utmanande för konventionella lösningsbearbetade halvledare att använda som högpresterande dubbla funktionella enheter, "Bao förklarade." Ta organisk halvledare och kolloidal kvantpunkt för exempel. Organiska halvledare visar alltid mycket liten överlappning mellan absorptions- och fotoluminescensspektra, så de visar svag absorption för ljus som avges från samma material, medan kolloidala kvantpunkt -lysdioder alltid är baserade på mycket tunn kvantprickfilm på grund av den mycket låga bärtransportegenskapen, så deras ljusabsorption är mycket svag. "

Forskarna är bland de första som introducerar en perovskitbaserad diod som samtidigt kan fungera som en ljusemission och en ljusdetekteringsanordning, växla mellan dessa funktioner och ändå prestera anmärkningsvärt bra i båda. I framtiden, enheten som de utvecklat kan användas för att skapa mindre elektronik som kan användas som både ljuskällor och detektorer. I deras papper, Gao, Bao och deras kollegor skisserar två möjliga applikationer för dioden, visar hur den kan användas för att bygga en monolitisk pulssensor och i dubbelriktad optisk kommunikation.

"Vi planerar nu att ytterligare förbättra enhetens svarshastighet och livslängd och studera prestandan för detektering av perovskit -LED för synligt ljus för att utvidga applikationen till synligt ljusintervall, "Sa Bao.

© 2020 Science X Network