Onderzoek legt de basis voor ultradunne, energiezuinige fotodetector op glas

Hoewel we het ons misschien niet altijd realiseren, dragen fotodetectoren in hoge mate bij tot het gemak van het moderne leven. Fotodetectoren, ook bekend als fotosensoren, zetten lichtenergie om in elektrische signalen om taken uit te voeren zoals het openen van automatische schuifdeuren en het automatisch aanpassen van de schermhelderheid van een mobiele telefoon in verschillende lichtomstandigheden.

Een nieuw artikel, gepubliceerd door een team van Penn State-onderzoekers in ACS Nano, probeert het gebruik van fotodetectoren verder te bevorderen door de technologie te integreren met duurzaam Gorilla-glas, het materiaal dat wordt gebruikt voor smartphoneschermen dat wordt vervaardigd door Corning Incorporated.

De integratie van fotodetectoren met Gorilla-glas zou kunnen leiden tot de commerciële ontwikkeling van “slim glas”, of glas dat is uitgerust met automatische detectie-eigenschappen. Smart glass kent een aantal toepassingen, variërend van imaging tot geavanceerde robotica, aldus de onderzoekers.

“Er zijn twee problemen die moeten worden aangepakt bij het maken en schalen van fotodetectoren op glas”, zegt hoofdonderzoeker Saptarshi Das, assistent-professor in technische wetenschappen en mechanica (ESM). “Het moet worden gedaan met relatief lage temperaturen, aangezien het glas bij hoge temperaturen afbreekt, en moet ervoor zorgen dat de fotodetector op glas kan werken met minimale energie.”

Om de eerste uitdaging het hoofd te bieden, stelde Das samen met ESM-promovendus Joseph R. Nasr vast dat de chemische verbinding molybdeendisulfide het beste materiaal was om als coating op het glas te gebruiken.

Vervolgens gebruikten Joshua Robinson, hoogleraar materiaalkunde en engineering (MatSE) en MatSE-promovendus Nicholas Simonson, een chemische reactor van 600 graden Celsius – een temperatuur die laag genoeg was om het Gorilla-glas niet te degraderen – om de verbinding en het glas samen te smelten. De volgende stap was om het glas en de coating in een fotodetector te veranderen door het van een patroon te voorzien met behulp van een conventioneel elektronenstraal-lithografisch instrument.

“Vervolgens hebben we het glas getest met groene LED-verlichting, die een meer natuurlijke lichtbron nabootst in tegenstelling tot laserverlichting, die vaak wordt gebruikt in soortgelijk opto-elektronisch onderzoek,” zei Nasr.

Het ultradunne lichaam van de fotodetectoren van molybdeendisulfide zorgt voor een betere elektrostatische controle en zorgt ervoor dat het kan werken met een laag vermogen – een cruciale behoefte aan de slimme glastechnologie van de toekomst.

“De fotodetectoren moeten werken op plaatsen met beperkte of ontoegankelijke plaatsen die van nature geen toegang hebben tot bronnen van onbeperkte elektriciteit”, zei Das. “Daarom zijn ze aangewezen op het vooraf opslaan van hun eigen energie in de vorm van wind- of zonne-energie.”

Als slim glas commercieel wordt ontwikkeld, kan het volgens de onderzoekers leiden tot technologische vooruitgang in uiteenlopende industriële sectoren, waaronder de productie, civiele infrastructuur, energie, gezondheidszorg, transport en ruimtevaarttechniek. De technologie zou kunnen worden toegepast in biomedische beeldvorming, veiligheidssurveillance, omgevingsdetectie, optische communicatie, nachtzicht, bewegingsdetectie en botsingsvermijdingssystemen voor autonome voertuigen en robots.

“Slim glas op voorruiten van auto’s kan zich aanpassen aan tegemoetkomend grootlicht bij nachtelijke ritten door automatisch de dekking te verschuiven met behulp van de technologie”, aldus Robinson. “En nieuwe Boeing 757-vliegtuigen kunnen het glas van hun ramen gebruiken voor piloten en passagiers om automatisch zonlicht te dimmen.”