Kopplingar mellan de två olika materialen, enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) och perovskit (CsPbBr3 ) quantum dots (QDs) – ett mekaniskt stabilt och lättanpassat fotovoltaiskt material som skapar en elektrisk ström från solljus när det paras ihop med ett annat material, såsom SWCNTs – bildar halvledarheteroövergångar som fungerar exceptionellt bra som fotodetektor.
Ny forskning tyder på att en ökning av diametern på SWCNT i SWCNT/perovskite QD-heteroövergångar förbättrar den optoelektroniska, eller förmågan att omvandla ljus till elektricitet, prestanda för heteroövergången mellan de två materialen.
Ett team av forskare testade systematiskt prestandaeffekterna av varierande diametrar av SWCNT, ett enda lager av kolatomer som bildar ett hexagonalt gitter rullat till en sömlös cylinder, med olika bandgap, eller mängden energi som krävs för att en elektron ska leda elektrisk ström , i heterojunction filmer med perovskite QDs.
Deras studie visade att en ökning av diametern på SWCNT förbättrade responsiviteten, detektiviteten och svarstiden för denna typ av heterojunction-film. Denna effekt kan förmedlas av den förbättrade separationen och transporten av fotogenererade excitoner, en energibärande, neutralt laddad elektron som kombineras med ett positivt elektronhål, i filmen.
Teamet publicerade resultaten av sin studie i Nano Research .
"Inriktningen mellan bandgaperna för SWCNTs och QDs bestämmer separationen av de fotogenererade excitonerna vid de heterogena gränssnitten, medan SWCNTs med olika diameter visar olika bärarkapacitet och rörlighet", säger Huaping Liu, studiens huvudutredare och professor vid institutet i fysik vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking, Kina.
"Dessa egenskaper bestämmer den fotoelektroniska prestandan hos SWCNTs/perovskite QDs heterojunction-filmer, vilket gör det... viktigt att systematiskt studera diametereffekten av olika bandgap SWCNTs på fotodetektionsprestandan för dessa filmer."
Teamet undersökte skillnaderna i fotodetektorprestanda för SWCNT-diametrar mellan 1,0 och 1,4 nm. Egenskaper för varje diameter utvärderades genom att exponera SWCNT/perovskite QD-filmerna för 410 nm ljus vid olika intensiteter och mäta ström-spänningskurvorna för varje film. Dessa data kan sedan användas för att bestämma fotoström, fotoresponsivitet och detektivitet vid varje nanorörsdiameter.
Bandgapet för SWCNTs är ungefär omvänt proportionell mot nanorörets diameter. När SWCNT-diametern ökades från 1,0 nm till 1,4 nm, observerade forskargruppen en ökning av responsiviteten med ungefär en storleksordning, en 5-faldig ökning av detektiviteten och en 4-faldig ökning av svarshastigheten. De SWCNTs med större diameter som mättes i studien förbättrade bärarkapaciteten och rörligheten för att förbättra filmens prestanda.
"Den stora förbättringen av fotoelektriska prestanda i filmer med SWCNTs med större diameter tillskrivs ökande inbyggda elektriska fält vid heterojunction-gränssnittet för s-SWCNTs halvledande SWCNTs/QDs..., vilket driver separationen av hålbärare från fotogenererade excitoner till s -SWCNTs och snabb transport i SWCNT-filmer," sa Liu.
Nästa generations fotodetektorer gjorda av SWCNTs och QDs är nödvändiga för att minska materialkostnaden, energiförbrukningen och bräckligheten hos dessa typer av detektorer i framtida elektronik. Intressant nog är enbart SWCNT-enkelskiktsfilmer mycket ineffektiva för att detektera ljus, och perovskite QD-filmer är benägna att få låg bärarmobilitet, responsivitet och detektivitet. Däremot förbättrar perovskit-kvantprickfilmer, när de paras ihop med SWCNT-monoskikt, den optiska absorptionen som en tunn dubbelskiktsfilm med förbättrad responsivitet.
Resultaten från denna studie kommer att hjälpa andra forskare i design och tillverkning av nya högpresterande fotodetektorer som krävs för optisk kommunikation, bärbar teknologi och andra tillämpningar inom medicin och artificiell intelligens. Lius team planerar att använda dessa experimentella resultat specifikt i designen av optimerade fotodetektorer för användning i mycket känsliga konstgjorda synsystem.
Mer information: Yayang Yu et al, Diameterberoende fotoelektriska prestanda hos halvledande kolnanorör/perovskitheteroövergångar, Nanoforskning (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5942-1
Journalinformation: Nanoforskning
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
