Pesquisadores da Universidade de Toronto e do Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona criaram recentemente novos fotodetectores de perovskita processados por solução que exibem eficiências e tempos de resposta notáveis. Esses fotodetectores, apresentados em um artigo publicado na Nature Electronics, possuem um design exclusivo que evita a formação de defeitos entre suas diferentes camadas.
“Há um interesse crescente em imagens de alcance 3D para direção autônoma e eletrônicos de consumo”, disse Edward H. Sargent ao TechXplore. “Trabalhamos em equipe há anos para encontrar novos materiais que permitam tecnologias de detecção de luz, como sensores de imagem de última geração, e nos esforçamos para levá-los em uma direção que possa ter um impacto comercial e social”.
Os fotodetectores, dispositivos sensores que detectam ou respondem à luz, podem ter inúmeras aplicações altamente valiosas. Por exemplo, eles podem ser integrados em sistemas robóticos, veículos autônomos, eletrônicos de consumo, tecnologia de sensoriamento ambiental, sistemas de comunicação de fibra óptica e sistemas de segurança.
“Nessas aplicações, a fotodetecção rápida é necessária em faixas de comprimento de onda além da visão humana”, disse Amin Morteza Najarian. “Silicon, a abordagem herdada – e ideal para leitura eletrônica – por si só não une alta eficiência com alta velocidade, como resultado de seu bandgap indireto, uma propriedade da estrutura de banda do silício que produz absorção fraca (daí a necessidade de espessura silício) no infravermelho próximo.”
Em uma série de estudos computacionais iniciais, Sargent e sua equipe identificaram uma perovskita binária com alta mobilidade de portadores e alto coeficiente de absorção que poderia competir com os materiais atualmente empregados em termos de eficiência e velocidade. O fotodetector introduzido em seu artigo recente é baseado neste material ativo recém-identificado.
“Quando a luz é absorvida pela camada ativa de perovskita, os elétrons e buracos fotogerados são extraídos através das camadas de transporte de elétrons e buracos”, disse o coautor Maral Vafaie. “Para alcançar tempos de resposta rápidos, esses portadores de carga devem se mover rapidamente pelos dispositivos, incluindo as camadas de transporte. O óxido de níquel (NiOx) é caracterizado por alta cristalinidade e mobilidade, tornando-o uma opção ideal para a camada de transporte de buracos (HTL).”
Quando começaram a testar seus dispositivos, os pesquisadores descobriram que havia uma incompatibilidade química entre a estratégia anti-oxidação estabelecida para as perovskitas PbSn e a camada NiOx. Assim, eles criaram um método para remover o oxigênio do dispositivo, convertendo espécies indesejadas de estanho e garantindo que nenhum resíduo prejudicial seja deixado para trás.
Nas avaliações iniciais, os fotodetectores criados por Sargent, Najarian, Vafaie e seus colegas alcançaram resultados muito promissores, tanto em termos de eficiência quântica quanto de tempos de resposta. A equipe também mostrou que seus dispositivos podem resolver distâncias submilimétricas com um desvio padrão típico de 50 µm.
“Nós demonstramos que os fotodetectores fabricados usando perovskitas binárias convertem a luz infravermelha próxima em sinal elétrico com eficiência superior a 85% com um tempo de resposta mais rápido que uma fração de nanossegundo”, disseram Sargent e Morteza Najarian. “Esta é uma melhoria de 100 vezes em comparação com os fotodetectores processados em solução relatados anteriormente. Mostramos essas métricas de desempenho na resolução espacial de distâncias submilimétricas, ou seja, fornecendo resolução de profundidade”.
No futuro, os novos fotodetectores de perovskita processados por solução criados por Sargent, Morteza Najarian e seus colegas podem ser valiosos para a criação da tecnologia LiDAR (ou seja, ferramentas para determinar distâncias variáveis entre objetos) e sensores para veículos autônomos ou robôs. Enquanto isso, os pesquisadores planejam continuar procurando materiais vantajosos e projetando novos componentes para tecnologias de detecção.
“Em aplicações de detecção e alcance de luz de longo alcance (LiDAR), apenas uma pequena fração da luz espalhada dos objetos atinge o fotodetector”, acrescentaram Sargent e Morteza Najarian. “Se mudarmos a iluminação e a detecção para a região infravermelha de ondas curtas (por exemplo, 1550 nm), uma maior potência de luz de iluminação se torna possível sem apresentar problemas de segurança ocular. Estamos trabalhando na próxima geração de semicondutores III-V com isso em mente.”
Publicado em 30/08/2022 08h14
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