Een milieuvriendelijke manier om in het donker te zien met behulp van colloïdale kwantumstippen

Fabrikanten van infraroodcamera’s staan ​​voor een groeiend probleem: de giftige zware metalen in de hedendaagse infrarooddetectoren worden in toenemende mate verboden onder milieuregels, waardoor bedrijven worden gedwongen te kiezen tussen prestaties en naleving.

Deze regelgevende druk vertraagt ​​de bredere acceptatie van infrarooddetectoren in civiele toepassingen, net zoals de vraag op gebieden zoals autonome voertuigen, medische beeldvorming en nationale veiligheid versnellen.

In een paper gepubliceerd in ACS -toegepaste materialen en interfacesonderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering onthullen een potentiële oplossing die milieuvriendelijke kwantumstippen gebruikt om infraroodlicht te detecteren zonder te vertrouwen op kwik, lood of andere beperkte materialen.

De onderzoekers gebruiken colloïdale kwantumstippen, die de eeuwenoude, dure en vervelende verwerking van infrarooddetectoren verhogen. Traditionele apparaten worden gefabriceerd door langzame, ultra-nauwkeurige methoden die atomen bijna één voor één over de pixels van een detector plaatsen-zo, zoals het samenstellen van een puzzelstuk voor stuk onder een microscoop.

Colloïdale kwantumstippen worden in plaats daarvan volledig gesynthetiseerd in oplossing, meer als brouwen inkt, en kunnen worden afgezet met behulp van schaalbare coatingtechnieken die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt in roll-to-roll-productie voor verpakking of kranten. Deze verschuiving van nauwgezette assemblage naar op oplossingen gebaseerde verwerking verlaagt de productiekosten drastisch en opent de deur naar wijdverbreide commerciële toepassingen.

“De industrie wordt geconfronteerd met een perfecte storm waar milieuvoorschriften aanscherpen, net zoals de vraag naar infraroodbeeldvorming explodeert”, zegt Ayaskanta Sahu, universitair hoofddocent aan de afdeling Chemical and Biomolecular Engineering (CBE) bij NYU Tandon en de senior auteur van de studie. “Dit creëert echte knelpunten voor bedrijven die proberen de productie van thermische beeldvormingssystemen op te schalen.”

Een andere uitdaging die de onderzoekers aangepakt, was de Quantum Dot Ink geleidend genoeg maken om signalen van inkomend licht door te geven. Ze bereikten dit met behulp van een techniek met de naam oplossingsfase-liganduitwisseling, die de kwantumdichtoppervlakchemie aanpast om de prestaties in elektronische apparaten te verbeteren. In tegenstelling tot traditionele fabricagemethoden die vaak gebarsten of ongelijke films achterlaten, levert dit op oplossing gebaseerde proces soepele, uniforme coatings op in een enkele stap-ideaal voor schaalbare productie.

De resulterende apparaten vertonen opmerkelijke prestaties: ze reageren op infraroodlicht op de tijdschema van de microseconde – ter vergelijking knippert het menselijk oog honderden keren langzamer – en ze kunnen signalen detecteren die zo zwak zijn als een nanowatt van licht.

“Wat me boeit, is dat we een materiaal kunnen nemen dat lang wordt beschouwd als te moeilijk voor echte apparaten en het te ontwikkelen om competitiever te zijn”, zei afgestudeerde onderzoeker Shlok J. Paul, hoofdauteur van de studie. “Met meer tijd kan dit materiaal dieper in het infraroodspectrum schijnen waar weinig materialen bestaan ​​voor dergelijke taken.”

Dit werk draagt ​​bij aan eerder onderzoek van dezelfde hoofdonderzoekers die nieuwe transparante elektroden ontwikkelden met behulp van zilveren nanodraden. Die elektroden blijven zeer transparant voor infraroodlicht terwijl het efficiënt elektrische signalen verzamelt, waarbij één component van het infraroodcamerasysteem wordt aangepakt.

Gecombineerd met hun eerdere transparante elektrodewerk, gaan deze ontwikkelingen in op beide belangrijke componenten van infrarood beeldvormingssystemen. De kwantumstippen bieden milieuvriendelijke sensingcapaciteit, terwijl de transparante elektroden het verzamelen en verwerken van signaal afhandelen.

Deze combinatie behandelt uitdagingen in infrarood-beeldvormende arrays met grote omgeving, die krachtige detectie vereisen over brede gebieden en signaaluitlezing van miljoenen individuele detectorpixels. Door de transparante elektroden kan het licht de kwantumdotdetectoren bereiken en tegelijkertijd elektrische paden bieden voor signaalextractie.

“Elke infraroodcamera in een Tesla of smartphone heeft detectoren nodig die voldoen aan de milieunormen terwijl ze kosteneffectief blijven,” zei Sahu. “Onze aanpak kan helpen deze technologieën veel toegankelijker te maken.”

De prestaties schieten nog steeds tekort aan de beste op zware metalen gebaseerde detectoren in sommige metingen. De onderzoekers verwachten echter dat voortdurende vooruitgang in de kwantumdot -synthese en apparaattechniek deze kloof zou kunnen verminderen.