Phổ rộng: Vật liệu lai Novel chứng minh bộ tách sóng quang hiệu quả

Máy ảnh kỹ thuật số cũng như nhiều thiết bị điện tử khác cần cảm biến nhạy sáng. Để phục vụ cho nhu cầu ngày càng tăng đối với các thành phần quang điện tử loại này, ngành công nghiệp đang tìm kiếm vật liệu bán dẫn mới. Chúng không chỉ được cho là bao gồm một phạm vi bước sóng rộng mà còn không tốn kém. Một vật liệu lai được phát triển ở Dresden đã đáp ứng cả hai yêu cầu này. Himani Arora, một sinh viên tiến sĩ vật lý tại Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) đã chứng minh rằng khung hữu cơ kim loại này có thể được sử dụng như một bộ tách sóng quang. Vì nó không chứa bất kỳ nguyên liệu thô tốn nhiều chi phí, nó có thể được sản xuất với số lượng lớn với giá rẻ.

Trong hai mươi năm qua, khung kim loại hữu cơ (MOF) đã trở thành một hệ thống vật liệu đáng thèm muốn. Cho đến nay, các chất có độ xốp cao này chiếm tới 90% trong số đó bao gồm không gian trống phần lớn được sử dụng để lưu trữ khí, để xúc tác hoặc giải phóng thuốc trong cơ thể người. “Hợp chất khung hữu cơ kim loại được phát triển tại TU Dresden bao gồm một vật liệu hữu cơ tích hợp với các ion sắt”, Tiến sĩ Artur Erbe, người đứng đầu nhóm “Vận chuyển trong cấu trúc nano” tại Viện nghiên cứu vật lý và vật liệu ion chùm của HZDR giải thích. “Điều đặc biệt ở đây là khung hình thành các lớp chồng lên nhau với các đặc tính bán dẫn, khiến nó có khả năng thú vị cho các ứng dụng quang điện tử.”

Nhóm đã có ý tưởng sử dụng MOF hai chiều bán dẫn mới làm bộ tách sóng quang. Để theo đuổi nó hơn nữa, Himani Arora đã điều tra các thuộc tính điện tử của chất bán dẫn. Cô đã khám phá trong số những vật liệu khác, độ nhạy sáng phụ thuộc vào mức độ nào của nhiệt độ và bước sóng – và đi đến một kết luận đầy hứa hẹn: Từ 400 đến 1.575 nanomet, chất bán dẫn có thể phát hiện ra một loạt các bước sóng ánh sáng. Do đó, phổ bức xạ đi từ tia cực tím đến hồng ngoại gần. “Đây là lần đầu tiên chúng tôi chứng minh được bộ lọc quang băng rộng như vậy cho bộ tách sóng quang hoàn toàn dựa trên các lớp MOF”, tiến sĩ Himani Arora lưu ý. “Đây là những tính chất lý tưởng để sử dụng vật liệu như một yếu tố hoạt động trong các thành phần quang điện tử.”

Bandgap nhỏ làm cho hiệu quả

Phổ của bước sóng một vật liệu bán dẫn có thể bao phủ và biến đổi thành tín hiệu điện về cơ bản phụ thuộc vào cái gọi là bandgap. Các chuyên gia sử dụng thuật ngữ này để mô tả khoảng cách năng lượng giữa dải hóa trị và dải dẫn của vật liệu trạng thái rắn. Trong các chất bán dẫn điển hình, dải hóa trị hoàn toàn đầy đủ, do đó các electron không thể di chuyển xung quanh. Mặt khác, dải dẫn dẫn phần lớn trống rỗng, vì vậy các electron có thể di chuyển tự do và ảnh hưởng đến dòng chảy. Trong khi bandgap trong chất cách điện lớn đến mức các electron không thể nhảy từ dải hóa trị sang dải dẫn, dây dẫn kim loại không có khoảng trống như vậy. Băng tần của chất bán dẫn chỉ đủ lớn để nâng các electron lên mức năng lượng cao hơn của dải dẫn bằng cách sử dụng sóng ánh sáng. Bandgap càng nhỏ, năng lượng cần thiết để kích thích điện tử càng ít. 

Himani Arora giải thích: “Vì bandgap trong vật liệu chúng tôi khám phá là rất nhỏ, chỉ cần rất ít năng lượng ánh sáng để tạo ra điện. Đây là lý do cho phạm vi rộng của phổ có thể phát hiện được.”

Bằng cách làm mát máy dò xuống nhiệt độ thấp hơn, hiệu suất có thể được cải thiện hơn nữa vì sự kích thích nhiệt của các điện tử bị triệt tiêu. Các cải tiến khác bao gồm tối ưu hóa cấu hình thành phần tạo ra các liên hệ đáng tin cậy hơn và phát triển vật liệu hơn nữa. Kết quả cho thấy các bộ tách sóng quang dựa trên MOF sẽ có một tương lai tươi sáng. Nhờ các đặc tính điện tử và sản xuất rẻ tiền, các lớp MOF là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho một loạt các ứng dụng quang điện tử.

Artur Erbe, mong muốn “Bước tiếp theo là quy mô độ dày lớp” . Trong nghiên cứu, phim MOF 1,7 micromet đã được sử dụng để xây dựng bộ tách sóng quang. Để tích hợp chúng vào các thành phần, chúng cần phải mỏng hơn đáng kể. Nếu có thể, mục đích là giảm các lớp chồng lên 70 nanomet, tức là nhỏ hơn 25 lần so với kích thước của chúng. Xuống đến độ dày lớp này, vật liệu phải thể hiện các đặc tính tương đương. Nếu nhóm có thể chứng minh rằng chức năng vẫn giữ nguyên trong các lớp mỏng hơn đáng kể này thì họ có thể bắt tay vào phát triển nó đến giai đoạn sản xuất.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Himani Arora, Renhao Dong, Tommaso Venanzi, Jens Zscharschuch, Harald Schneider, Manfred Helm, Xinliang Feng, Enrique Cánovas, Artur Erbe. Trình diễn một bộ tách sóng quang dựa trên khung hữu cơ hai chiều kim loại . Vật liệu tiên tiến , 2020; 32 (9): 1907063 DOI: 10.1002 / adma.201907063