NanoLett.华中科大学唐江团队_柔性短波红外探测与成像

更新时间:2024-05-29      点击次数:120

NanoLett.华中科大学唐江团队_柔性短波红外探测与成像


摘要

柔性短波红外探测器在可穿戴设备、生物成像、自动控制等领域发挥着至关重要的作用。而商用短波红外探测器由于制备温度高、材料性能刚性等问题,难以实现柔性化。华中科技大学的唐江教授和陈超教授团队在 Nano Letters 期刊发表最新研究成果,开发了一种高性能柔性 Te0.7Se0.3 光电探测器,该探测器受益于碲-硒合金的一维晶体结构和小弹性模量。该柔性光电探测器在室温下表现出 365 1650 nm 的宽光谱响应、6 μs 的快速响应时间、76 dB 的宽线性动态范围和 4.8 × 1010 Jones 的比探测率。在 3 mm 小曲率半径弯曲后,柔性探测器的响应度仍保持其初始值的 93%。基于优化的柔性探测器,研究人员展示了其在短波红外成像中的应用,突出了 Te0.7Se0.3 光电探测器在柔性电子领域的巨大潜力。

本研究推荐使用设备
LQ-100X-PL 光致发光与发光量子产率测试系统
PD-QE_新型光电传感器特性分析仪


研究背景与核心概念

短波红外 (SWIR) 光是指波长在 1-3 微米范围内的电磁波,它具有许多的特性,例如穿透能力强、对生物组织散射低、对人眼安全等,因此在夜视、生物成像、食品安全检测、环境监测、光通信等领域有着广泛的应用。近年来,随着柔性电子技术的快速发展,柔性短波红外探测器也逐渐成为研究热点,它能够适应各种曲面和形状,为可穿戴设备、植入式医疗器械、柔性显示屏等新兴应用提供更加便捷和高效的解决方案。

目前柔性短波红外探测器的研究主要集中在以下几个方向:

1.      二维材料基柔性短波红外探测器: 石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物等二维材料因其优异的光电性能和机械柔韧性,成为制备柔性短波红外探测器的理想材料。然而,二维材料的制备成本较高,且器件性能受制于材料的本征缺陷和接触电阻等问题。

2.      有机半导体基柔性短波红外探测器: 有机半导体材料具有可溶液加工、成本低廉、可大面积制备等优点,但其载流子迁移率和光吸收能力通常较低,限制了器件的性能。

3.      量子点基柔性短波红外探测器: 胶体量子点 (CQD) 具有可调的带隙、高吸收系数和溶液可加工性等优势,近年来在柔性短波红外探测领域取得了显著进展。然而,CQD 探测器通常需要复杂的配体交换和钝化处理,以提高器件的性能和稳定性。

4.      传统半导体材料的柔性化: 一些研究尝试将传统的短波红外探测器材料,例如 InGaAsHgCdTe 等,转移到柔性基底上,以实现器件的柔性化。然而,这些方法通常需要复杂的工艺步骤,且难以保证器件的可靠性和稳定性。

现有的研究已经取得了一些突破,例如:

l  高性能二维材料探测器: 研究人员通过优化材料制备工艺和器件结构设计,制备出了基于二维材料的高性能柔性短波红外探测器,其性能已接近甚至超过了传统刚性探测器。

l  高灵敏度有机探测器: 通过分子设计和器件结构优化,研究人员成功制备出了高灵敏度的有机短波红外探测器,并展示了其在生物成像等领域的应用潜力。

l  大面积 CQD 探测器阵列: 研究人员利用印刷技术制备了大面积 CQD 探测器阵列,并将其集成到柔性基底上,实现了高分辨率的短波红外成像。

研究方法与主要发现

该研究团队选择碲 (Te) 和硒 (Se) 合金作为探测器材料,因为 Te-Se 合金具有一维晶体结构和较小的弹性模量,使其在弯曲时不易断裂。他们采用热蒸发法制备了 Te0.7Se0.3 薄膜,并通过改变退火温度优化薄膜的结晶性和载流子浓度。

为了表征 Te0.7Se0.3 薄膜的性能,研究人员使用了扫描电子显微镜 (SEM)X 射线衍射 (XRD)、霍尔效应测量系统等多种手段。随后,他们制备了基于 Te0.7Se0.3 薄膜的柔性光电探测器,并对其光谱响应、响应时间、线性动态范围、比探测率和弯曲稳定性等性能进行了测试。

研究结果与讨论

研究结果表明,退火温度对 Te0.7Se0.3 薄膜的结晶性和载流子浓度有显著影响。通过优化退火温度,可以获得具有最佳性能的 Te0.7Se0.3 薄膜。

制备的柔性 Te0.7Se0.3 光电探测器表现出以下优异性能:

宽光谱响应: 响应范围从 365 nm 扩展到 1650 nm,覆盖了紫外、可见光和短波红外波段。

快速响应时间: 响应时间仅为 6 μs,可以满足快速成像的需求。

宽线性动态范围: 线性动态范围达到 76 dB,可以探测不同强度的光信号。

高比探测率: 室温下比探测率达到 4.8 × 1010 Jones,具有高灵敏度。

优异的弯曲稳定性: 3 mm 小曲率半径弯曲后,探测器的响应度仍保持其初始值的 93%,证明了其良好的柔韧性。

研究人员进一步展示了 Te0.7Se0.3 柔性光电探测器在短波红外成像中的应用。他们将探测器集成到一个柔性电路板上,并成功地捕捉到了红外图像,证明了其在柔性电子领域的巨大潜力。

结论与展望

该研究开发的 Te0.7Se0.3 柔性光电探测器具有宽光谱响应、快速响应时间、宽线性动态范围、高比探测率和优异的弯曲稳定性等优点,在可穿戴设备、生物成像、自动控制等领域具有广泛的应用前景。
现有的柔性短波红外探测器仍面临着一些挑战,例如:

l  性能与稳定性之间的平衡: 提高器件性能的同时,如何保证其在弯曲、拉伸等机械变形下的长期稳定性,仍然是一个需要解决的难题。

l  制备工艺的复杂性和成本: 现有的柔性短波红外探测器制备工艺相对复杂,成本较高,限制了其大规模应用。

l  材料和器件结构的创新: 需要开发新的材料和器件结构,以进一步提高柔性短波红外探测器的性能和应用范围。

未来,可以通过以下几个方面进一步提升 Te0.7Se0.3 柔性光电探测器的性能:

l  优化薄膜制备工艺: 探索新的薄膜制备方法,例如化学气相沉积法,以提高薄膜的结晶性和均匀性。

l  钝化界面缺陷: 采用界面钝化技术,例如引入钝化层或表面改性,以减少界面缺陷,提高器件的性能和稳定性。

l  开发集成技术: Te0.7Se0.3 柔性光电探测器与其他柔性电子器件集成,开发新型的柔性电子系统。

相信随着研究的深入,Te0.7Se0.3 柔性光电探测器的性能将会进一步提升,并最终实现商业化应用,为柔性电子领域的发展贡献力量。

本文參數圖:

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Fig. 6_ (a) 柔性 Te0.7Se0.3 光电二极管的暗电流密度-电压 (J-V) 曲线和 (b) 1300 纳米波长的外部量子效率 (EQE) 随退火温度的变化而变化。

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Fig.S9_展示了材料在不同条件下的电学性能和稳定性测试结果。

(a) 部分: 电流密度-电压曲线,展示了该设备在空气中存放不同时间(1天和2个月)后的性能。

(b) 部分: 归一化响应随时间变化的曲线,显示了设备在空气中存放时性能的稳定性。

(c) 部分: 两张图片,分别展示了设备在水中和水外的实物图。

(d) 部分: 电流密度-电压曲线,展示了设备在水中浸泡不同时间(0小时、8小时、24小时)后的性能。

(e) 部分: 归一化响应随时间变化的曲线,显示了设备在水中浸泡时性能的稳定性。

(f) 部分: 一张图片,显示了设备在水滴下的接触角,这通常用来表征材料的亲水性或疏水性。

从这些数据可以看出,该设备或材料在空气和水中的长期稳定性,以及其电学性能如何随环境条件和时间变化,对于评估设备的实用性和耐用性至关重要。


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原文出处: Nano Lett. 2024



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1.      PD-QE_新型光电传感器特性分析仪
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l  偏置电压也可由 20 V 1000 V。同时,可测量高分辨率的光电流,分辨率最高可达 10-16 A

l  波长扩充可达 1800 nm

l  可选配软件升级控制 Kiethley 4200 SMU

l  应用-
有机光传感器 (OPD, Organic Photodiode)、钙钛矿光传感器 (PPD, Perovskite Photodiode)、量子点光传感器 (QDPD, Quantum Dots Photodiode)、新型材料光传感器。




2. LQ-100X-PL 光致发光与发光量子产率测试系统

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具有以下特色優勢:

l  以紧凑的设计,尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H),搭配 4 吋外径 PTFE 材质的积分球,并且整合 NIST 追溯的校准,让手套箱整合 PL PLQY 成为可能。

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系统光学设计可容易的做红外扩展,波长由1000 nm 1700 nm。粉末、溶液、薄膜样品都可兼容测试。



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