Рост в этих отраслях сделал фотодетекторы востребованным продуктом, но для их изготовления требуются дорогие материалы, такие как золото и титан, и строго контролируемые условия, обеспечиваемые капиталоемким оборудованием с высокими затратами на техническое обслуживание.
Исследователи из Университета Дрекселя недавно сообщили о новом способе изготовления датчиков с использованием типа двумерного материала под названием MXene, который улучшает их чувствительность и существенно снижает производственные затраты.
В своем исследовании, которое недавно было опубликовано в журнале Advanced Materials, группа показывает, как замена золота полупрозрачным тонким слоем материала MXene может сделать возможным масштабирование процесса производства фотоприемников и выпуск датчиков, превосходящих нынешние. – Золотой стандарт.
«Это важное событие, поскольку ожидается, что к 2024 году мировой спрос на фотодетекторы достигнет 2 миллиардов долларов, поэтому существует острая необходимость в расширении процесса и поиске более экологически безопасных материалов для использования в качестве компонентов», – сказал Пуйя Дайанат, доктор философии. доцент-исследователь в Инженерном колледже Дрекселя и соавтор статьи.
Фотоприемники преобразуют световое излучение в электрический ток. Обычно они используют золото в качестве контактного материала для соединения материала детектора с остальной схемой, потому что он обладает высокой проводимостью. Эти детекторы все чаще встречаются в ряде приложений, требующих быстрой передачи объемов данных, таких как автоматизированные системы сборки, упаковки и доставки, которые растут, чтобы справиться с бумом онлайн-покупок.
Их высокие стойки используются в центрах обработки данных размером с склад для передачи информации по зданиям, которые могут охватывать площадь четырех футбольных полей.
Поскольку MXenes, которые представляют собой двухмерно тонкие слоистые материалы, достаточно универсальны, чтобы сохранять высокую проводимость при нанесении в различных формах – от аэрозольной краски до глины и чернил, – они стали привлекательным кандидатом для использования. в виде прозрачной пленки, как электроды в фотоприемниках.
«Одной из самых серьезных проблем при изготовлении фотоприемников является нанесение золотых контактов. Помимо стоимости самого золота, процесс изготовления должен выполняться при высокой температуре и в вакуумной камере, что также является довольно дорогостоящим », – сказала Киана Монтазери, доктор-исследователь и ведущий автор статьи. «Мы заменяем золото на MXenes, которые являются менее дорогостоящими материалами, и производим компоненты фотоприемника, помещая его в условия окружающей среды с помощью настольного спиннера."
Этот процесс нанесения тонких пленок похож на помещение капли чернил в центрифугу, а затем удаление образовавшихся брызг со стены. Поскольку это относительно простой процесс, который может быть выполнен в нормальных атмосферных условиях на узорчатой подложке, его можно легко масштабировать до массового производства фотоприемников MXene.
Чувствительность фотоприемников связана с площадью поверхности светочувствительного материала. Хотя более желательны датчики большего размера, их размер также требует большей оптической мощности для работы и вызывает медленный отклик. Поскольку они являются проводящими, пленки MXene могут использоваться в нескольких компонентах датчиков, что позволяет превратить почти всю поверхность устройства в зону чувствительности без снижения его энергоэффективности или производительности.
«Интерес к MXenes в последнее время резко возрос по ряду причин, главная из которых заключается в том, что они могут быть смешаны с водой для создания спреев и чернил, оставаясь при этом достаточно проводящими», – сказал Бахрам Набет, доктор философии, профессор инженерного колледжа Дрекселя и один из научных сотрудников. соавтор статьи «Использование прозрачной пленки MXene в качестве контактов в фотодетекторах дает очевидное преимущество, так как это смягчает компромисс между расстоянием прохождения носителя и чувствительностью."
В статье исследователи сообщают, что созданные ими пленочные фотоприемники MXene показали себя примерно в четыре раза лучше – с точки зрения чувствительности – чем современные устройства, сделанные из золота.
Это означает, что их можно использовать для повышения энергоэффективности центров обработки данных.
«Следующим шагом в этой работе является продолжение стандартизации производственного процесса и разработка методов стабилизации компонентов MXene для использования в различных средах и условиях», – сказал Мишель Барсум, доктор философии, заслуженный профессор инженерного колледжа. «Мы ожидаем, что это открытие откроет дверь для использования MXene в широком спектре оптоэлектронных устройств, таких как фотодиоды и фототранзисторы, а также в таких перспективных технологиях, как микроэлектроника, фотонные интегральные схемы и кремниевая фотоника."