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液态金属合成纳米级薄膜光电探测器,眨眼间发现更宽的光谱范围

来自:柔智烩 


液态金属合成纳米级薄膜光电探测器,比眨眼更快的发现更宽的光谱范围


导读:研究人员已经开发出一种世界上第一台能够看到所有阴影的光探测器,该原型装置可从根本上缩小现代技术的最基本要素之一。


光电探测器通过将光携带的信息转换为电信号来工作,并被广泛用于从游戏机到光纤通信,医学成像和运动探测器的技术中。当前,光电探测器无法在一种设备中感测超过一种颜色。


这意味着它们比与之集成的其他技术(例如硅芯片)更大,更慢。


而原子级薄材料尽管具有引人入胜的性能,但仍面临着不断扩展的挑战,妨碍了实际部署。单硫化锡(SnS)是一种低成本的,自然丰富的,具有可调带隙的层状材料,在原子厚度处显示出优异的载流子迁移率和大吸收系数的特性,使其对电子和光电器件具有吸引力。但是,缺乏成功的合成技术来制备大面积和化学计量原子上薄的SnSS层(主要是由于强的层间相互作用)阻碍了这些特性在通用应用中的探索。


RMIT大学的研究人员开发的新型超高效宽带光电探测器比最小的市售光电探测器装置至少薄1000倍。




该研究中,SnS层的印刷厚度从单个单位晶格(0.8 nm)到由金属液态锡合成的多个堆叠单位晶格(≈1.8nm)不等,其横向尺寸为毫米级。结果表明,这些大面积SnS层具有宽带光谱响应,具有深紫外(UV)到近红外(NIR)波长(即280–850 nm),并具有快速的光电检测功能。


对于单层厚的分层SnS,光电探测器的响应度最高可提高三个数量级(927 AW-1)在室温工作波长为660 nm时比商用光电探测器要高。这项研究为合成用于宽带,高性能光电探测器的大横向可复制纳米片开辟了一条新途径。它还为集成光电电路,传感和生物医学成像中的可扩展应用提供了重要的技术含义。




在该技术的重大飞跃中,该原型设备还可以看到紫外光和近红外光之间的所有阴影,这为在同一芯片上集成电气和光学组件提供了新的机会。


新的可能性


这项突破性技术为改善生物医学成像打开了大门,促进了对癌症等健康问题的早期发现。


研究主要作者,博士。研究员Vaishnavi Krishnamurthi说,在光电检测技术中,使材料更薄通常会牺牲性能。


她说:"但我们设法制造出一种设备,该设备具有强大的冲头,尽管它比纳米薄,但比针头的宽度小一百万倍。"除了缩小医疗成像设备外,超薄原型还为更有效的运动检测器,低光成像和可能更快的光纤通信打开了可能性。


Krishnamurthi说:"生物医学成像设备中较小的光电探测器可能会导致放射治疗过程中更准确地靶向癌细胞。"与我们今天拥有的大型设备相比,缩减技术还可以帮助提供更小的便携式医疗成像系统,这些系统可以轻松地带入偏远地区。"





光电探测器的特写照片。


照亮光谱


光电探测器的通用性和实用性在很大程度上取决于三个因素:它们的工作速度,对较低水平光的灵敏度以及可以感应到多少光谱。


通常,当工程师尝试在其中一个领域中提高光电探测器的功能时,其他功能中的至少一项已被削弱。


当前的光电检测器技术依赖于三到四层的堆叠结构。想象一下一个三明治,其中有面包,黄油,奶酪和另一层面包-不管您挤压该三明治有多好,它总是四层厚,如果去掉一层,就会影响质量。


而RMIT工程学院的研究人员弃用了堆叠模型,并研究了如何在芯片上使用纳米厚度的层(厚度仅为一个原子)。


重要的是,他们这样做不会降低光电探测器的速度,低光灵敏度或光谱的可见性。


该原型设备可以解释从深紫外线到近红外波长的光,使其对比人眼更宽的光谱敏感。


它的执行速度比眨眼快一万倍。


纳米级薄膜技术


团队面临的主要挑战是确保缩小光电检测器时电子和光学性能不会降低,这是以前阻止了光检测技术小型化的技术瓶颈。


首席研究员Sumeet Walia副教授说,所用的材料,一硫化锡,价格低廉,自然丰富,因此对电子和光电子学具有吸引力。


"该材料允许装置在低照明条件极其敏感,使得它适合于在宽的低光摄影光谱",他说。


Walia说,他的团队正在研究其光电探测器的行业应用,该探测器可与CMOS芯片等现有技术集成。


他说:"随着进一步的发展,我们可能会考虑在夜间使用安全摄像机进行更有效的运动检测以及更快,更有效的数据存储等应用。"




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