Naukowcy tworzą nietoksyczne kropki kwantowe do krótkofalowych czujników obrazu w podczerwieni

Krótkofalowe czujniki światła podczerwonego (SWIR) są pożądane w szerokim zakresie zastosowań, szczególnie w sektorach robotyki usługowej, motoryzacji i elektroniki użytkowej. Koloidalne kropki kwantowe przestrajalne za pomocą SWIR są obiecujące dla takich czujników, ponieważ można je łatwo zintegrować z matrycą CMOS, ale ich powszechne zastosowanie na rynku utrudnia fakt, że większość z nich zawiera toksyczne metale ciężkie, takie jak ołów czy rtęć. Według jednego z badaczy zespół naukowców wyprodukował kropki kwantowe z nietoksycznych materiałów i przetestował je w fotodetektorze w skali laboratoryjnej. Niedawny artykuł Opublikowano w Nature Photonics.

„Światło SWIR do wykrywania i obrazowania ma ogromne znaczenie ze względu na swoje unikalne właściwości” – napisali autorzy. „Jest bezpieczny dla oczu; może przenikać przez mgłę, zamglenie i inne warunki pogodowe, umożliwiając obrazowanie w niesprzyjających warunkach pogodowych do zastosowań motoryzacyjnych, wykrywania środowiska i teledetekcji; obecność poświaty nocnej w nocy w zakresie SWIR umożliwia pasywne widzenie w nocy; a obrazowanie optyczne w połączeniu ze spektroskopią w podczerwieni umożliwia między innymi widzenie maszynowe, bioobrazowanie oraz kontrolę jakości żywności i procesów.

Jak wspomniano wcześniej, kropka kwantowa to małe ziarno półprzewodnika o średnicy kilkudziesięciu atomów. Na główce szpilki można umieścić miliardy dolarów, a im mniej, tym lepiej. W tak małych skalach aktywują się efekty kwantowe, które nadają kropkom doskonałe właściwości elektryczne i optyczne. Świecą jasno, gdy pada na nie światło, a kolor tego światła zależy od wielkości kropek kwantowych. Większe kropki emitują bardziej czerwone światło; Małe kropki emitują bardziej niebieskie światło. Można więc dostosować kropki kwantowe do określonych częstotliwości światła, po prostu zmieniając ich rozmiar.

Kiedyś uważane za niemożliwe do wykonania, kropki kwantowe stały się popularnym elementem między innymi monitorów komputerowych, ekranów telewizyjnych i diod LED. Na przykład kropki kwantowe pozwalają producentom telewizorów dostrajać emitowane kolory, tworząc dokładniejsze kolory w szerszym zakresie, a wszystko to przy mniejszym zużyciu energii. Przydaje się jako zastąpić Barwniki organiczne używane do oznaczania czynników reaktywnych w biosensorach fluorescencyjnych zostały wprowadzone do szklanych okien, aby zasadniczo przekształcić te okna w ogniwa fotowoltaiczne, potencjalnie pozyskując niewielkie ilości energii słonecznej w celu zrównoważenia kosztów energii w domu.

W 2013 roku niemieccy fizycy zbudowali… Równanie empiryczne Demon Maxwella z parą oddziałujących ze sobą kropek kwantowych. W 2015 roku naukowcy Tworzenie kwantowych „kropek siusiu”. Z odzyskanego moczu i użytego do obrazowania ważnych komórek myszy. Przyszłe zastosowania mogą obejmować umieszczanie kropek kwantowych w elastycznej elektronice, małych czujnikach i ogniwach słonecznych lub wykorzystywanie ich w szyfrowanych systemach komunikacji kwantowej.

Autorzy najnowszego artykułu pochodzą z Barcelońskiego Instytutu Nauki i Technologii (BIST) oraz Corve Technologies w Hiszpanii. Zespół BIST poszukiwał sposobów wytwarzania nanokryształów tellurku srebra bizmutu do urządzeń fotowoltaicznych i zauważył, że tellurek srebra był jednym z produktów ubocznych. Tellurek srebra miał idealne właściwości dla koloidalnych kropek kwantowych, a zwłaszcza przestrajalność. Zespół zmienił więc podejście i opracował proces wytwarzania kropek kwantowych z tellurku srebra.

Powstałe kropki kwantowe miały dobry rozkład wielkości i można je było przestrajać w szerokim zakresie widmowym, w tym SWIR. Następnym krokiem było zintegrowanie kropek kwantowych z fotodetektorem w skali laboratoryjnej. Odejście od typowej konfiguracji urządzenia było wyzwaniem, ponieważ jedno z urządzeń świeci od spodu większości urządzeń laboratoryjnych, podczas gdy zestawy CQD zintegrowane z CMOS obejmują jasne światło od góry, z elektroniką CMOS od dołu. Pierwsza próba zakończyła się umiarkowanym sukcesem, ponieważ uzyskana fotodioda nie działała zgodnie z oczekiwaniami w zakresie SWIR.

Badacze z projektu BIST przeprojektowali czujnik, dodając dodatkową warstwę izolacyjną, aby rozwiązać problem, tworząc skuteczniejszy czujnik SWIR. Następnie współpracowali z naukowcami z firmy Korf, aby zbudować sprawdzoną koncepcję czujnika obrazu SWIR wykonanego z nietoksycznych kropek kwantowych, działającego w temperaturze pokojowej. Udało im się wykonać zdjęcia poruszających się płytek krzemowych w świetle SWIR i zajrzeć do nieprzezroczystych plastikowych butelek w świetle widzialnym. Następnym krokiem jest przeprojektowanie układu warstw w celu poprawy wydajności fotodiod, a także zbadanie innych właściwości chemicznych powierzchni.

Fotonika Naturalna, 2024. DOI: 10.1038/s41566-023-01345-3 (O identyfikatorach cyfrowych).