Коротковолновый инфракрасный диапазон (SWIR) обладает уникальными преимуществами: излучение в этой области спектра меньше подвержено атмосферному рассеянию и является «безопасным для глаз». Эти свойства открывают перспективы для использования SWIR в системах лидаров (LIDAR – Light Detection and Ranging), предназначенных для определения расстояний с помощью лазеров, а также в космической локализации и картографировании, системах визуализации в неблагоприятных погодных условиях (для наблюдения и автомобильной безопасности) и в мониторинге окружающей среды. Однако широкое применение SWIR до сих пор ограничивалось нишевыми областями, такими как научное приборостроение и военные технологии, из-за высокой стоимости и сложности производства существующих SWIR-фотодетекторов.
Альтернативой традиционным материалам могут стать коллоидные квантовые точки — полупроводниковые нанокристаллы, получаемые из раствора. Эта технология потенциально способна вывести SWIR-системы на массовый рынок потребительской электроники. Основная проблема заключается в том, что традиционные квантовые точки обычно содержат токсичные тяжелые металлы, такие как свинец или ртуть. В качестве экологически чистой альтернативы рассматриваются квантовые точки на основе теллурида серебра (Ag2Te).
Квантовые точки из теллурида серебра (Ag2Te) демонстрируют характеристики, сравнимые с их токсичными аналогами, что делает их перспективными для создания безопасных SWIR-устройств. Тем не менее, технология Ag2Te находится на ранней стадии развития, и для ее практического применения необходимо решить ряд существенных проблем, связанных с производительностью и стабильностью таких материалов.
Исследовательская группа из Института фотонных наук (ICFO) добилась значительного прорыва в этой области. Ученые Др. Yongjie Wang (первый соавтор), Hao Wu, Др. Carmelita Rodà, Др. Lucheng Peng, Др. Nima Taghipour, Miguel Dosil под руководством профессора ICREA Герасимоса Константиноса (Gerasimos Konstantatos) разработали новый метод синтеза коллоидных квантовых точек Ag2Te, который позволил преодолеть существовавшие ранее трудности. Кроме того, команда создала первый в мире прототип SWIR LIDAR, использующий коллоидные квантовые точки из нетоксичных материалов.
Созданный прототип LIDAR успешно продемонстрировал возможность измерения расстояний свыше 10 метров с дециметровым разрешением. Результаты исследования, опубликованные в журнале Advanced Materials, знаменуют собой важный шаг на пути к созданию практичных, экономически эффективных и экологически безопасных лидарных систем для потребительского и автомобильного рынков. Этот успех открывает двери для интеграции SWIR-технологий в повседневные устройства.
Исследователи из ICFO целенаправленно работали над устранением трех основных недостатков, традиционно присущих квантовым точкам Ag2Te при использовании в SWIR-фотодетекторах: высокого темнового тока, ограниченного линейного динамического диапазона (LDR) и медленной скорости отклика. Темновой ток — это небольшой электрический ток, протекающий через фотодетектор даже в отсутствие света; его высокий уровень увеличивает шум и ограничивает чувствительность, особенно при обнаружении удаленных объектов.
Линейный динамический диапазон (LDR) определяет разницу между минимальной и максимальной интенсивностью света, которую может обнаружить детектор; широкий LDR позволяет получать более контрастные изображения и точнее измерять сигналы разной яркости. Скорость отклика показывает, насколько быстро фотодетектор реагирует на изменения освещенности; высокая скорость необходима для точного измерения расстояний в лидарах и для быстрой передачи данных в оптических телекоммуникациях.
Команде ICFO удалось добиться радикального улучшения характеристик по сравнению с предыдущим рекордом, о котором та же группа сообщала годом ранее в журнале Nature Photonics. Новые фотодетекторы на основе Ag2Te демонстрируют плотность темнового тока менее 500 нА/см², внешнюю квантовую эффективность (EQE) 30% на длине волны 1400 нм, линейный динамический диапазон свыше 150 дБ и время отклика порядка 25 наносекунд. Важно отметить, что используемые материалы соответствуют директиве Restriction of Hazardous Substances (RoHS), ограничивающей использование опасных веществ.
Такой скачок производительности стал результатом комплексного подхода. Как отметил Др. Yongjie Wang, значимость достигнутого улучшения превзошла первоначальные ожидания. Изначально стратегия заключалась в оптимизации синтеза квантовых точек для устранения поверхностных дефектов, однако одного этого оказалось недостаточно. Ключевым шагом стало применение инновационной пост-обработки тонкой пленки квантовых точек нитратом серебра.
Предложенная инженерная стратегия позволяет использовать преимущества коллоидных квантовых точек, такие как экономичность и простота производства, одновременно повышая их производительность и обеспечивая экологическую безопасность. Дальнейшие исследования будут направлены на достижение еще более быстрого времени отклика, более высокой квантовой эффективности и надежной работы устройств в реальных условиях температуры и влажности. Конечная цель — широкое внедрение SWIR-технологий в потребительскую электронику.
Альтернативой традиционным материалам могут стать коллоидные квантовые точки — полупроводниковые нанокристаллы, получаемые из раствора. Эта технология потенциально способна вывести SWIR-системы на массовый рынок потребительской электроники. Основная проблема заключается в том, что традиционные квантовые точки обычно содержат токсичные тяжелые металлы, такие как свинец или ртуть. В качестве экологически чистой альтернативы рассматриваются квантовые точки на основе теллурида серебра (Ag2Te).
Квантовые точки из теллурида серебра (Ag2Te) демонстрируют характеристики, сравнимые с их токсичными аналогами, что делает их перспективными для создания безопасных SWIR-устройств. Тем не менее, технология Ag2Te находится на ранней стадии развития, и для ее практического применения необходимо решить ряд существенных проблем, связанных с производительностью и стабильностью таких материалов.
Исследовательская группа из Института фотонных наук (ICFO) добилась значительного прорыва в этой области. Ученые Др. Yongjie Wang (первый соавтор), Hao Wu, Др. Carmelita Rodà, Др. Lucheng Peng, Др. Nima Taghipour, Miguel Dosil под руководством профессора ICREA Герасимоса Константиноса (Gerasimos Konstantatos) разработали новый метод синтеза коллоидных квантовых точек Ag2Te, который позволил преодолеть существовавшие ранее трудности. Кроме того, команда создала первый в мире прототип SWIR LIDAR, использующий коллоидные квантовые точки из нетоксичных материалов.
Созданный прототип LIDAR успешно продемонстрировал возможность измерения расстояний свыше 10 метров с дециметровым разрешением. Результаты исследования, опубликованные в журнале Advanced Materials, знаменуют собой важный шаг на пути к созданию практичных, экономически эффективных и экологически безопасных лидарных систем для потребительского и автомобильного рынков. Этот успех открывает двери для интеграции SWIR-технологий в повседневные устройства.
Исследователи из ICFO целенаправленно работали над устранением трех основных недостатков, традиционно присущих квантовым точкам Ag2Te при использовании в SWIR-фотодетекторах: высокого темнового тока, ограниченного линейного динамического диапазона (LDR) и медленной скорости отклика. Темновой ток — это небольшой электрический ток, протекающий через фотодетектор даже в отсутствие света; его высокий уровень увеличивает шум и ограничивает чувствительность, особенно при обнаружении удаленных объектов.
Линейный динамический диапазон (LDR) определяет разницу между минимальной и максимальной интенсивностью света, которую может обнаружить детектор; широкий LDR позволяет получать более контрастные изображения и точнее измерять сигналы разной яркости. Скорость отклика показывает, насколько быстро фотодетектор реагирует на изменения освещенности; высокая скорость необходима для точного измерения расстояний в лидарах и для быстрой передачи данных в оптических телекоммуникациях.
Команде ICFO удалось добиться радикального улучшения характеристик по сравнению с предыдущим рекордом, о котором та же группа сообщала годом ранее в журнале Nature Photonics. Новые фотодетекторы на основе Ag2Te демонстрируют плотность темнового тока менее 500 нА/см², внешнюю квантовую эффективность (EQE) 30% на длине волны 1400 нм, линейный динамический диапазон свыше 150 дБ и время отклика порядка 25 наносекунд. Важно отметить, что используемые материалы соответствуют директиве Restriction of Hazardous Substances (RoHS), ограничивающей использование опасных веществ.
Такой скачок производительности стал результатом комплексного подхода. Как отметил Др. Yongjie Wang, значимость достигнутого улучшения превзошла первоначальные ожидания. Изначально стратегия заключалась в оптимизации синтеза квантовых точек для устранения поверхностных дефектов, однако одного этого оказалось недостаточно. Ключевым шагом стало применение инновационной пост-обработки тонкой пленки квантовых точек нитратом серебра.
Предложенная инженерная стратегия позволяет использовать преимущества коллоидных квантовых точек, такие как экономичность и простота производства, одновременно повышая их производительность и обеспечивая экологическую безопасность. Дальнейшие исследования будут направлены на достижение еще более быстрого времени отклика, более высокой квантовой эффективности и надежной работы устройств в реальных условиях температуры и влажности. Конечная цель — широкое внедрение SWIR-технологий в потребительскую электронику.