Met aanvullende optimalisatie en onderzoek zullen sterk gezuiverde halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuisfilms (s-SWCNT) films de huidige fotodetectorprestaties en -efficiëntie overtreffen tegen aanzienlijk lagere kosten. De technologie zal worden geïntegreerd in een verscheidenheid aan verschillende opto-elektronische apparaten die licht kunnen detecteren en verwerken. Credit: Nano-onderzoeksenergie
Halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuisjes (s-SWCNT’s) worden gebruikt om een derde generatie geoptimaliseerde kortegolf-infraroodfotodetectoren te ontwikkelen die de pixelgrootte, het gewicht, het stroomverbruik, de prestaties en de kosten zullen verbeteren ten opzichte van fotodetectoren die van traditionele materialen zijn gemaakt.
Ultragevoelige kortegolf-infraroodfotodetectoren, die een subset van kortegolf-infraroodlichtgolflengten buiten het visuele spectrum detecteren, hebben veel potentiële toepassingen, waaronder nachtbewaking, navigatie tijdens slechte weersomstandigheden, glasvezelcommunicatie en kwaliteitscontrole van halfgeleiders.
Kortegolf infrarood fotodetectoren zijn van oudsher gemaakt van III-V materialen zoals indium gallium arsenide (InGaAs). InGaAs-fotodetectoren zijn echter duur en het huidige onderzoek naar alternatieve fotodetectormaterialen, zoals s-SWCNT’s, zal idealiter de kosten van kortegolf-infraroodfotodetectoren verlagen en tegelijkertijd zowel de prestaties als de efficiëntie verhogen.
Een team van vooraanstaande wetenschappers van de Universiteit van Peking schetste de huidige technologie en uitdagingen in verband met de ontwikkeling van s-SWCNT-films tot kortegolf-infraroodfotodetectoren om aanvullend onderzoek en toepassingen van de technologie te stimuleren. De huidige vooruitgang in oplossingszuiveringstechnologie zal de ontwikkeling van zeer zuivere s-SWCNT-films vergemakkelijken die geschikt zijn voor homogene en hoogwaardige opto-elektronische apparaten en toepassingen met een groot oppervlak die licht detecteren en verwerken, inclusief fotodetectoren.
Verdere optimalisatie van filmzuiverheid, dikte, helderheid en array-uitlijning moet worden bereikt voordat s-SWCNT-films het prestatieniveau van traditionele, duurdere fotodetectoren gemaakt van InGaAs of vergelijkbare materialen zullen evenaren of overtreffen.
Het team publiceerde hun recensie in het nummer van 16 maart van Nano-onderzoeksenergie.
“Het beoordelen van de voortgang van de s-SWCNT-filmfotodetectoren kan de huidige onderzoeksstatus, uitdagingen en toepassingen van s-SWCNT-filmfotodetectoren en opto-elektronische integratie verduidelijken”, zegt Sheng Wang, een van de auteurs van het overzichtsartikel en universitair hoofddocent aan de School van Elektronica aan de Universiteit van Peking, China.
“We schetsten de s-SWCNT-technologie in drie secties: (1) de huidige onderzoeksstatus van de s-SWCNT-filmfotodetectoren, (2) de huidige onderzoeksstatus van monolithische / driedimensionale opto-elektronische integratie op basis van s-SWCNT-filmfotodetectoren en ( 3) de vereisten van s-SWCNT-film en apparaatstructuur voor ideale s-SWCNT-filmfotodetectoren en opto-elektronische integratie, “zei Wang.
“De volgende stap in het veld is het verbeteren van de prestaties van s-SWCNT-filmfotodetectoren door de s-SWCNT-films en apparaatstructuur te optimaliseren. Voor de s-SWCNT-filmoptimalisatie moet de halfgeleiderzuiverheid van een uniforme s-SWCNT-film zijn meer dan 99,9999%,” zei Wang.
Het bereiken van deze zuiverheidsniveaus is geen triviale zaak. Vroege zuiveringsmethoden probeerden s-SWCNT-onzuiverheden te verbranden nadat films waren gegroeid, maar resulteerden in films met veel defecten. Sindsdien zijn geconjugeerde polymeren gebruikt om s-SWCNT’s niet alleen van onzuiverheden te zuiveren, maar ook door hun diameter, aangezien verschillende diameters van s-SWCNT bepalen welke golflengten de films kunnen detecteren. Onlangs heeft een sorteerproces de s-SWCNT-zuiverheidsniveaus bereikt die vereist zijn voor hoogwaardige elektronica.
Optimalisatie is ook vereist bij de voorbereiding van de s-SWCNT-film, inclusief dikte, helderheid en uitlijning. Er zijn veel methoden ontwikkeld om s-SWCNT-films te laten groeien, maar depositie- en dompelcoatingmethoden hebben vaak de voorkeur vanwege hun eenvoud, stabiliteit en de homogene films die ze produceren. Een schaalbare en efficiënte methode van dompelcoating regelt de afzetting van s-SWCNT door simpelweg het aantal keren dat een substraat uit een organisch oplosmiddel van verspreide s-SWCNT’s wordt getild en de snelheid van elke lift aan te passen.
Het elektronicaveld erkent het potentieel van s-SWCNT’s als een geschikt materiaal voor hoogwaardige kortegolf-infrarooddetectoren, maar er bestaat een aanzienlijke prestatiekloof tussen traditionele fotodetectoren, gemaakt van materialen zoals InGaAs, en s-SWCNT-filmfotodetectoren. “Het uiteindelijke doel is om de prestaties van s-SWCNT-filmfotodetectoren te optimaliseren, zodat ze vergelijkbaar zijn met commerciële fotodetectoren tegen lagere kosten”, aldus Wang.
De onderzoekers geloven dat deze prestatieverbetering en kostendaling zullen resulteren in de integratie van meer kortegolf-infraroodfotodetectorfilms in apparaten en de ontwikkeling van nieuwe opto-elektronische toepassingen in de toekomst. Het veld streeft er ook naar om hoogwaardige koolstofnanobuizen in elektrische circuits te integreren.
Meer informatie:
Xiang Cai et al, Recente vooruitgang van fotodetector op basis van koolstofnanobuisfilm en toepassing in opto-elektronische integratie, Nano-onderzoeksenergie (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120058
Aangeboden door Tsinghua University Press
