نقاط کوانتومی غیر سمی راه را برای حسگرهای تصویر مادون قرمز موج کوتاه CMOS برای لوازم الکترونیکی مصرفی هموار می کنند.

نور مادون قرمز موج کوتاه (SWIR) که برای چشم ما نامرئی است، می‌تواند قابلیت اطمینان، عملکرد و عملکرد بی‌سابقه‌ای را در برنامه‌های بینایی کامپیوتری با حجم بالا و اولین نوع خود در رباتیک خدمات، خودرو و لوازم الکترونیکی مصرفی ایجاد کند.

سنسورهای تصویر با حساسیت SWIR می توانند در شرایط نامطلوب مانند نور شدید خورشید، مه، مه و دود به طور قابل اعتماد عمل کنند. علاوه بر این، محدوده SWIR منابع نوری ایمن را برای چشم فراهم می کند و امکان تشخیص را باز می کند خواص مواد با تصویربرداری مولکولی

فناوری حسگر تصویر مبتنی بر نقطه کوانتومی کلوئیدی (CQD) یک پلت فرم فناوری امیدوارکننده برای فعال کردن سنسورهای تصویر سازگار با حجم بالا در SWIR ارائه می‌کند.

CQD ها، کریستال های نیمه هادی در مقیاس نانو، بستری برای مواد پردازش شده با محلول هستند که می توانند با CMOS ادغام شوند و امکان دسترسی به محدوده SWIR را فراهم کنند. با این حال، یک مانع بزرگ در راه تبدیل نقاط کوانتومی حساس به SWIR به عنوان یک فناوری کلیدی فعال برای کاربردهای بازار انبوه وجود دارد، زیرا آنها اغلب شامل فلزات سنگین مانند سرب یا جیوه (نیمه هادی های سرب IV-VI، Hg-calcogenide).

این مواد مشمول مقررات محدودیت مواد خطرناک (RoHS) هستند، یک دستورالعمل اروپایی که استفاده از آنها را در برنامه های الکترونیکی تجاری مصرف کننده تنظیم می کند.

در یک مطالعه منتشر شده که در فوتونیک طبیعتمحققان ICFO Yongjie Wang، Lucheng Peng و Aditya Malla، به سرپرستی پروفسور ICREA در ICFO Gerasimos Konstantatos، با همکاری محققان Qurv Julien Schreier، Yu Bi، Andres Black و Stijn Goossens در مورد توسعه آشکارسازهای نوری مادون قرمز با کارایی بالا و SWIR گزارش دادند. سنسور تصویر در دمای اتاق بر اساس غیر سمی کار می کند نقاط کوانتومی کلوئیدی.

این مطالعه روش جدیدی را برای سنتز تلورید نقره بدون فسفین قابل تنظیم اندازه (Ag₂Te) نقاط کوانتومی با حفظ خواص سودمند فلزات سنگین سنتی، راه را برای معرفی فناوری نقاط کوانتومی کلوئیدی SWIR به بازارهای با حجم بالا هموار می کند.

هنگام تحقیق در مورد چگونگی سنتز بیسموت تلورید نقره (AgBiTe₂) نانو کریستال ها برای گسترش پوشش طیفی AsBiS₂ فناوری برای بهبود عملکرد دستگاه های فتوولتائیک، محققان به تلورید نقره (Ag₂ته) به عنوان یک محصول جانبی.

این ماده جذب محدود کوانتومی قوی و قابل تنظیم مشابه نقاط کوانتومی را نشان داد. آنها پتانسیل آن را برای آشکارسازهای نوری SWIR و حسگرهای تصویر و تلاش‌های خود را بر روی دستیابی و کنترل یک فرآیند جدید برای سنتز نسخه‌های بدون فسفین نقاط کوانتومی تلورید نقره متمرکز کردند، زیرا مشخص شد که فسفین تأثیر مخربی بر ویژگی‌های اپتوالکترونیکی مربوط به تشخیص نوری نقاط کوانتومی دارد.

در روش مصنوعی جدید خود، این تیم از کمپلکس‌های مختلف بدون فسفین، مانند پیش‌سازهای تلوریوم و نقره استفاده کردند که منجر به دستیابی به نقاط کوانتومی با توزیع اندازه به خوبی کنترل‌شده و پیک‌های برانگیخته در طیف بسیار وسیعی از طیف شد.

پس از ساخت و مشخص کردن آنها، نقاط کوانتومی جدید سنتز شده ویژگی‌های قابل توجهی را با پیک‌های اکسیتونیک متمایز بالای ۱۵۰۰ نانومتر نشان دادند که در مقایسه با تکنیک‌های قبلی ساخت نقاط کوانتومی مبتنی بر فسفین، دستاوردی بی‌سابقه بود.

سپس محققان تصمیم گرفتند تا نقاط کوانتومی بدون فسفین به دست آمده را برای ساخت یک آشکارساز نوری ساده در مقیاس آزمایشگاهی بر روی یک بستر شیشه ای پوشش داده شده با استاندارد معمولی ITO (اکسید قلع ایندیوم) برای مشخص کردن دستگاه ها و اندازه گیری خواص آنها مستقر کنند.

این دستگاه‌های در مقیاس آزمایشگاهی با یک نور درخشان از پایین کار می‌کنند. برای پشته های CQD یکپارچه CMOS، نور از بالا می آید، در حالی که پایین دستگاه توسط الکترونیک CMOS اشغال شده است.” بنابراین، اولین چالشی که باید بر آن غلبه می‌کردیم، تنظیم مجدد دستگاه بود. فرآیندی که در تئوری ساده به نظر می رسد، اما در واقعیت ثابت شد که کار دشواری است.»

در ابتدا، فتودیود هنگام سنجش نور SWIR عملکرد ضعیفی از خود نشان داد که نیاز به طراحی مجددی داشت که دارای یک لایه بافر باشد. این تنظیمات عملکرد ردیاب نوری را بسیار بهبود بخشید، و در نتیجه یک فتودیود SWIR دارای محدوده طیفی از 350 نانومتر تا 1600 نانومتر، محدوده دینامیکی خطی بیش از 118 دسی بل، پهنای باند -3 دسی بل بیش از 110 کیلوهرتز، و قابلیت تشخیص دمای اتاق در حدود 110 بود.¹² جونز.

گراسیموس کنستانتاتوس، پروفسور ICREA در ICFO و سرپرست ارشد، “بر اساس دانش ما، فتودیودهایی که در اینجا گزارش شده اند، اولین فتودیودهایی هستند که فتودیودهای مادون قرمز موج کوتاه غیر سمی و پردازش شده با محلول را با عملکردی همتراز با سایر آنالوگ های حاوی فلزات سنگین شناسایی کردند.” نویسنده مطالعه ذکر می کند.

“این نتایج بیشتر از این واقعیت حمایت می کند که Ag₂نقاط کوانتومی به عنوان یک ماده امیدوارکننده سازگار با RoHS برای آشکارسازهای نوری SWIR کم هزینه و با کارایی بالا در حال ظهور هستند.

با توسعه موفقیت‌آمیز این آشکارساز نوری مبتنی بر نقطه کوانتومی بدون فلزات سنگین، محققان فراتر رفتند و با Qurv، یکی از بخش‌های ICFO، همکاری کردند تا پتانسیل آن را با ساخت یک حسگر تصویربرداری SWIR به عنوان مطالعه موردی نشان دهند.

این تیم فوتودیود جدید را با یک مدار مجتمع بازخوانی مبتنی بر CMOS (ROIC) با یک آرایه صفحه کانونی (FPA) ادغام کرد، که برای اولین بار اثبات مفهوم، غیر سمی را نشان می‌دهد. دمای اتاقکارکرد سنسور تصویر SWIR بر اساس نقاط کوانتومی.

نویسندگان مطالعه دوربین را برای اثبات عملکرد آن در SWIR با گرفتن چندین عکس از یک شی مورد نظر آزمایش کردند. به طور خاص، آنها توانستند از انتقال ویفرهای سیلیکونی تحت نور SWIR تصویربرداری کنند و همچنین محتویات بطری های پلاستیکی را که در نور مرئی مات بودند، تجسم کنند.

Gerasimos Konstantatos می‌گوید: «دسترسی به SWIR با فناوری الکترونیک مصرفی کم‌هزینه، پتانسیل این محدوده طیفی را با طیف وسیعی از کاربردها، از جمله سیستم‌های دید خودرو (خودروها) بهبود یافته که دید و رانندگی در شرایط نامساعد آب و هوایی را امکان‌پذیر می‌سازد، آزاد می‌کند.

باند SWIR در حدود 1.35 تا 1.40 میکرومتر می‌تواند پنجره‌ای بدون پس‌زمینه و بدون پس‌زمینه در شرایط روز/شب فراهم کند، در نتیجه تشخیص نور دوربرد و برد (LiDAR)، تصویربرداری سه‌بعدی برای خودرو، واقعیت افزوده و واقعیت مجازی را بیشتر می‌کند. برنامه های کاربردی.”

اکنون محققان می‌خواهند عملکرد فتودیودها را با مهندسی کردن لایه‌هایی که دستگاه آشکارساز نوری را تشکیل می‌دهند، افزایش دهند. آنها همچنین می خواهند شیمی سطحی جدیدی را برای Ag₂آنها نقاط کوانتومی برای بهبود عملکرد و پایداری حرارتی و محیطی مواد در راه رسیدن به بازار.