Άρθρα

Οι πηγές φωτός και οι ανιχνευτές αποτελούν βασικά  στοιχεία αμέτρητων τεχνολογικών συσκευών που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά. Για παράδειγμα, οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) χρησιμοποιούνται συχνά ως πηγή φωτισμού σε οθόνες και άλλες τεχνολογίες, ενώ οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση του φωτός σε αισθητήρες, σε συσκευές  απεικόνισης και  σε συστήματα  επικοινωνίας με οπτικές ίνες.

Οι υπάρχουσες πηγές φωτός και ανιχνευτές περιλαμβάνουν δύο διαφορετικούς τύπους συσκευών με αξιοσημείωτα διαφορετικές λειτουργίες. Η ανάπτυξη μιας συσκευής που μπορεί να παράγει και να ανιχνεύει το φως, ωστόσο, θα μπορούσε να επιτρέψει τον σχεδιασμό μικρότερων και ευφυέστερων τεχνολογιών.

Οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Linköping της Σουηδίας, στο Πανεπιστήμιο Shenzhen και σε πολλά άλλα πανεπιστήμια στην Κίνα κατασκεύασαν  πρόσφατα μια αποτελεσματική δίοδο ικανή να εκπέμπει και να ανιχνεύει το φως. Αυτή η νέα συσκευή, που παρουσιάστηκε σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Electronics , δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας ένα υλικό επεξεργασμένο με διάλυμα από περοβσκίτη.

«Εάν είχαμε μια συσκευή διπλής λειτουργίας που θα μπορούσε να εκπέμψει και να ανιχνεύσει αποτελεσματικά το φως, θα μπορούσαμε να την χρησιμοποιήσουμε  για να κάνουμε το έργο που συνήθως απαιτεί δύο συμβατικές συσκευές», δήλωσε στο TechXplore ο κύριος ερευνητής της μελέτης Feng Gao. «Αυτό θα μπορούσε όχι μόνο να μειώσει το κόστος των συσκευών αλλά και να διευκολύνει την ενσωμάτωση πηγών φωτός και ανιχνευτών σε οπτοηλεκτρονικά κυκλώματα».

Σε μια προηγούμενη μελέτη που παρουσιάστηκε στο περιοδικό Nature Photonics , ο Gao και οι συνάδελφοί του προσδιόρισαν έναν μηχανισμό γνωστού ως «φαινόμενο παθητικοποίησης»  σε ταινίες στοιχείων περοβσκίτη, τα οποία είναι καινοτόμα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή LED.  Έπειτα, σχεδίασαν ένα αποδοτικό παθητικοποιητή (δηλαδή μια ουσία που μπορεί να αποκαταστήσει τα ελαττώματα ενός ημιαγωγού) και το χρησιμοποίησαν για να βελτιώσουν την κβαντική απόδοση των οπτικών διόδων περοβσκίτη κοντά στο υπέρυθρο φάσμα σε ποσοστό πάνω από 21%.

«Με βάση αυτό το προηγούμενο έργο, μελετήσαμε περαιτέρω τη λειτουργία ανίχνευσης φωτός αυτών των συσκευών και διαπιστώσαμε ότι επιδεικνύουν επίσης αξιοσημείωτη απόδοση ως φωτοανιχνευτές», δήλωσε στο TechXplore ο Chunxiong Bao, ένας από τους ερευνητές που πραγματοποίησαν τη μελέτη. «Στην πρόσφατη μελέτη μας, εστιάσαμε τις προσπάθειές μας στην ταυτόχρονη βελτίωση των επιδόσεων εκπομπής και ανίχνευσης φωτός των διόδων που βασίζονται σε περοβσκίτη, επιδεικνύοντας  τη σκοπιμότητά τους ως αποδοτικές συσκευές  «δύο σε ένα».

Το υλικό του περοβσκίτη που οι Gao,  Bao και οι συνάδελφοί τους χρησιμοποίησαν για να κατασκευάσουν τη δίοδο τους έχει πολλές μοναδικές φωτοηλεκτρικές ιδιότητες. Εκτός από την υψηλή κβαντική αποτελεσματικότητα φωτοφωταύγειας (PLQE), η οποία είναι ιδανική για την ανάπτυξη LED υψηλής απόδοσης, το υλικό έχει υψηλό συντελεστή απορρόφησης, επιτρέποντας τη φωτοαποτύπωση.

Το υλικό παρουσιάζει επίσης υψηλή κινητικότητα φορέα και μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ταινιών ποικίλου πάχους. Τέλος, οι ερευνητές παρατήρησαν μια μεγάλη αλληλοεπικάλυψη μεταξύ των φάσεων απορρόφησης και φωτοφωταύγειας του περοβσκίτη. Αυτό σημαίνει ότι το υλικό μπορεί επίσης να απορροφήσει το φως που εκπέμπεται από το ίδιο.

Συνδυασμένες, όλες αυτές οι ιδιότητες καθιστούν δυνατή τη δημιουργία διόδων εκπομπής φωτός (LEDs) και φωτοανιχνευτών υψηλής απόδοσης, με βάση την ίδια δομή επίπεδης επαφής. Με άλλα λόγια, αυτές οι ιδιότητες είναι ό,τι επέτρεψε τελικά στον Gao, τον Bao και τους συναδέλφους τους να δημιουργήσουν μια ενιαία συσκευή που να εκπέμπει και να ανιχνεύει το φως.

Η δίοδος που αναπτύσσουν βρέθηκε ότι επιτυγχάνει εκπομπή φωτός με εξωτερική κβαντική απόδοση πάνω από 21% και όριο ανίχνευσης φωτός στην κλίμακα των subpicowatt. Μπορεί επίσης να επιτύχει ταχύτητες λειτουργίας δεκάδων megahertz τόσο όταν εκπέμπει όσο και όταν ανιχνεύει το φως, εκτελώντας εξαιρετικά καλά σε κάθε λειτουργία. Επιπλέον, όταν χρησιμοποιείται ως ανιχνευτής, η συσκευή είναι επίσης ευαίσθητη στο φως που εκπέμπει από μόνη της.

«Είναι πολύ δύσκολο για τους συμβατικούς ημιαγωγούς να χρησιμοποιούνται ως συσκευές διπλής λειτουργίας και υψηλής απόδοσης», εξήγησε ο Bao. «Ο οργανικός ημιαγωγός δείχνει πάντοτε πολύ μικρή αλληλοεπικάλυψη μεταξύ των φασμάτων απορρόφησης και φωτοφωταύγειας, έτσι ώστε να έχει μικρή απορρόφηση στο φως που εκπέμπεται από το ίδιο υλικό, ενώ τα LEDs από κολλοειδείς κβαντικές τελείες πάντοτε βασίζονταν σε πολύ λεπτές ταινίες κβαντικής τελείας λόγω της πολύ χαμηλής μεταφορικής ιδιότητας του φορέα, οπότε η απορρόφηση του φωτός τους είναι πολύ αδύναμη».

Οι ερευνητές είναι από τους πρώτους που εισήγαγαν μια δίοδο βασισμένη σε περοβσκίτη, η οποία μπορεί ταυτόχρονα να λειτουργήσει ως  συσκευή εκπομπής και ανίχνευσης φωτός, αλλάζοντας μεταξύ αυτών των λειτουργιών και παράλληλα εκτελώντας εξαιρετικά καλά και στις δύο. Στο μέλλον, η συσκευή που αναπτύχθηκε θα μπορούσε να γίνει η βάση για τη δημιουργία μικρότερων ηλεκτρονικών συσκευών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές φωτός και ανιχνευτές. Στο άρθρο τους, οι Gao,  Bao και οι συνεργάτες τους σκιαγραφούν δύο πιθανές εφαρμογές για τη δίοδο, δείχνοντας πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός μονολιθικού αισθητήρα καρδιακών παλμών όπως επίσης και για αμφίδρομες οπτικές επικοινωνίες.

«Σκοπεύουμε τώρα να βελτιώσουμε περαιτέρω την ταχύτητα απόκρισης και τη διάρκεια ζωής της συσκευής και να μελετήσουμε τις επιδόσεις ανίχνευσης του LED από περοβσκίτη και να επεκτείνουμε την εφαρμογή στο ορατό φάσμα», δήλωσε ο Bao.

Περισσότερα στα άρθρα: 

Chunxiong Bao et al. Bidirectional optical signal transmission between two identical devices using perovskite diodes, Nature Electronics (2020). DOI: 10.1038/s41928-020-0382-3

Weidong Xu et al. Rational molecular passivation for high-performance perovskite light-emitting diodes, Nature Photonics (2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0390-x