Halbleitende einwandige Kohlenstoffnanoröhren (s-SWCNTs) werden verwendet, um eine dritte Generation von optimierten Kurzwellen-Infrarot-Fotodetektoren zu entwickeln, die Pixelgröße, Gewicht, Energieverbrauch, Leistung und Kosten gegenüber aus herkömmlichen Materialien hergestellten Fotodetektoren verbessern werden.
Ultraempfindliche Kurzwellen-Infrarot-Fotodetektoren, die eine Teilmenge von kurzwelligem Infrarotlicht außerhalb des sichtbaren Spektrums erkennen, haben viele potenzielle Anwendungen, einschließlich Nachtüberwachung, Navigation bei schlechten Wetterbedingungen, Glasfaserkommunikation und Halbleiterqualitätskontrolle.
Kurzwellen-Infrarot-Fotodetektoren wurden traditionell aus III-V-Materialien wie Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) hergestellt. InGaAs-Fotodetektoren sind jedoch teuer, und die aktuelle Forschung zu alternativen Fotodetektormaterialien wie s-SWCNTs wird idealerweise die Kosten von Kurzwellen-Infrarot-Fotodetektoren senken und gleichzeitig sowohl die Leistung als auch die Effizienz steigern.
Ein Team führender Wissenschaftler der Peking-Universität skizzierte die aktuelle Technologie und die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von s-SWCNT-Filmen zu Kurzwellen-Infrarot-Fotodetektoren, um weitere Forschung und Anwendungen der Technologie voranzutreiben. Aktuelle Fortschritte in der Lösungsreinigungstechnologie werden die Entwicklung von hochreinen s-SWCNT-Filmen erleichtern, die für großflächige, homogene und leistungsstarke optoelektronische Geräte und Anwendungen geeignet sind, die Licht erkennen und verarbeiten, einschließlich Fotodetektoren.
Eine weitere Optimierung der Filmreinheit, -dicke, -klarheit und -arrayausrichtung muss erreicht werden, bevor s-SWCNT-Filme das Leistungsniveau herkömmlicher, teurerer Fotodetektoren aus InGaAs oder ähnlichen Materialien erreichen oder übertreffen.
Das Team veröffentlichte seine Bewertung in der Ausgabe vom 16. März Nano-Forschungsenergie.
„Die Überprüfung des Fortschritts der s-SWCNT-Film-Fotodetektoren kann den aktuellen Forschungsstand, die Herausforderungen und Anwendungen von s-SWCNT-Film-Fotodetektoren und die optoelektronische Integration verdeutlichen“, sagte Sheng Wang, einer der Autoren des Übersichtsartikels und außerordentlicher Professor an der Schule of Electronics an der Universität Peking, China.
„Wir haben die s-SWCNT-Technologie in drei Abschnitten skizziert: (1) den aktuellen Forschungsstand der s-SWCNT-Film-Fotodetektoren, (2) den aktuellen Forschungsstand der monolithischen/dreidimensionalen optoelektronischen Integration auf der Grundlage von s-SWCNT-Film-Fotodetektoren und ( 3) die Anforderungen an s-SWCNT-Film und Gerätestruktur für ideale s-SWCNT-Film-Fotodetektoren und optoelektronische Integration“, sagte Wang.
„Der nächste Schritt auf diesem Gebiet ist die Verbesserung der Leistung von s-SWCNT-Film-Fotodetektoren durch Optimierung der s-SWCNT-Filme und der Gerätestruktur. Für die s-SWCNT-Filmoptimierung muss die Halbleiterreinheit eines einheitlichen s-SWCNT-Films sein mehr als 99,9999 %“, sagte Wang.
Das Erreichen dieser Reinheitsgrade ist keine triviale Angelegenheit. Frühe Reinigungsverfahren versuchten, s-SWCNT-Verunreinigungen abzubrennen, nachdem Filme gewachsen waren, führten jedoch zu Filmen mit vielen Defekten. Seitdem werden konjugierte Polymere verwendet, um s-SWCNTs nicht nur von Verunreinigungen zu reinigen, sondern auch von ihrem Durchmesser, da unterschiedliche Durchmesser von s-SWCNT bestimmen, welche Wellenlängen die Filme detektieren können. Kürzlich hat ein Sortierverfahren die für Hochleistungselektronik erforderlichen Reinheitsgrade von s-SWCNT erreicht.
Eine Optimierung ist auch bei der Herstellung von s-SWCNT-Filmen erforderlich, einschließlich Dicke, Klarheit und Ausrichtung. Viele Methoden wurden entwickelt, um s-SWCNT-Filme zu züchten, aber Abscheidungs- und Tauchbeschichtungsverfahren werden oft wegen ihrer Einfachheit, Stabilität und der homogenen Filme, die sie erzeugen, bevorzugt. Eine skalierbare und effiziente Methode der Tauchbeschichtung steuert die s-SWCNT-Abscheidung, indem einfach die Anzahl der Male, mit denen ein Substrat aus einem organischen Lösungsmittel mit dispergierten s-SWCNTs gehoben wird, und die Geschwindigkeit jedes Hebens modifiziert werden.
Die Elektronikbranche erkennt das Potenzial von s-SWCNTs als geeignetes Material für Hochleistungs-Kurzwellen-Infrarotdetektoren an, aber zwischen herkömmlichen Fotodetektoren aus Materialien wie InGaAs und s-SWCNT-Film-Fotodetektoren besteht eine erhebliche Leistungslücke. „Das ultimative Ziel ist es, die Leistung von s-SWCNT-Film-Fotodetektoren zu optimieren, damit sie bei geringeren Kosten mit kommerziellen Fotodetektoren vergleichbar sind“, sagte Wang.
Die Forscher glauben, dass diese Leistungssteigerung und Kostensenkung zur Integration von mehr Kurzwellen-Infrarot-Fotodetektorfilmen in Geräte und zur Entwicklung neuer optoelektronischer Anwendungen in der Zukunft führen wird. Das Gebiet strebt auch danach, Hochleistungs-Kohlenstoffnanoröhren in elektrische Schaltkreise zu integrieren.
Mehr Informationen:
Xiang Cai et al, Jüngste Fortschritte bei Photodetektoren auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrenfilmen und Anwendung in der optoelektronischen Integration, Nano-Forschungsenergie (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120058
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press