Nedispersinis vidinis optinis filtravimas tirpalais išaugintais perovskito kristalais spalvotam vaizdavimui | NPP Azijos medžiagos

Nedispersinis vidinis optinis filtravimas tirpalais išaugintais perovskito kristalais spalvotam vaizdavimui | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Medžiagos optikai
  • Optinės medžiagos ir konstrukcijos

Anotacija

Čia parodome, kad tirpale išauginti puslaidininkių metilammonio švino halogenido perovskitų (MAPbX 3, kur MA = CH3 NH3 +, X = Cl -, Br - ir Br / I - ) pavieniai kristalai gali būti naudojami kaip puslaidininkių absorberiai visam spalvų vaizdavimas. Vieno pikselio fotodetektoriaus prototipas buvo sukonstruotas sudedant tris mėlynos, žalios ir raudonos spalvos jautrių MAPbCl 3, MAPbBr 3 ir MAPb (Br / I) 3 kristalų sluoksnius. Demonstruojamas detektoriaus prototipas, atpažįstantis ir atkuriantis spalvotus vaizdus, ​​rekombinuojant kiekvieno atskiro spalvų kanalo signalus. Ši sluoksniuotos struktūros koncepcija, be to, kad reikiamų pikselių skaičius sumažėja dvigubai ar tris kartus, taip pat suteikia keletą kitų pranašumų, palyginti su įprastomis technologijomis: trigubai efektyvesnis šviesos panaudojimas (taigi ir didesnis jautrumas) nei įprasti „Bayer“ schemos įtaisai, pagrįsti dispersiniai optiniai filtrai, spalvų moiré slopinimas ir nereikia apdoroti demozaikinių vaizdų. Be to, dėl tiesioginės perovskito juostos tarpo struktūros optinė absorbcija yra keliomis eilėmis didesnė nei silicio. Tai atveria daug žadantį kelią mažinti naujos kartos prietaisų taškų dydį, palyginti su įprastomis silicio technologijomis.

Įvadas

Iš penkių pagrindinių juslių regėjimas suteikia Homo sapiens svarbiausią informaciją apie aplinkinį pasaulį. 1, 2 Jis perduoda informaciją apie daugelį objekto savybių, tokių kaip forma, atstumas ir dydis, taip pat atskleidžia spalvą. 3 Žmogaus tinklainė, kaip ir kiti spalvą jautrūs žinduoliai, gali kūgio ląstelėmis atskirti įvairias matomo spektro spalvas. Kūginės ląstelės yra trijų skirtingų tipų, kurios yra jautrios tik vienai spalvai: raudonai, žaliai arba mėlynai. Ši natūrali sistema imituojama trijų spalvų matricose, pagamintose iš „Bayer“ ar panašių dispersinių filtrų, kurie parenkami papildomai pagal atimamą spalvų modelį (1a pav.). 4 Nors tokie filtrai yra visur naudojami technologiškai, jie patiria didelius nuostolius (~ 2/3 viso šviesos srauto) dėl to, kad filtrai sugeria šviesą, kurios nebegalima naudoti toliau. 5, 6 1999 m. „Merrill 6“, 7 pasiūlė naują sprendimą: sukrauti silicio sluoksnius pakaitomis vertikaliai, o ne šonu. Visai neseniai tokia konfigūracija buvo taikoma organinių aktyviųjų sluoksnių, integruotų su MOSFET masyvo skaitymo integruotomis schemomis, krūvoms. 8, 9, 10 Tokiu būdu šviesa nuosekliai absorbuojama kiekviename atitinkamame sluoksnyje be didelių nuostolių, tokiu būdu padidinant fotonų, kurie gali būti naudojami įkrovos nešikliui sukurti, skaičių (1b paveikslas). Be to, kad padidėja optinis efektyvumas, ši konstrukcija sumažina spalvų spalvą ir iš principo gali leisti didesnę erdvinę skiriamąją gebą. 11, 12 Tačiau pastaroji galimybė silicio atveju yra ribota dėl netiesioginio juostos tarpo, reikalaujančio storų absorbcinių sluoksnių. Be to, šiai konfigūracijai reikalingas sudėtingesnis ir brangesnis gamybos procesas.

Image

Spalvoms jautrių detektorių realizavimas: a ) pavyzdžiui, mozaikinių spalvų jutiklių dizainas, kurį sudaro „Bayer“ filtrai su spalvotais dažnių juostos filtrais ant Si foto jutiklių matricos; Tai yra įprasta technologija, šiuo metu naudojama skaitmeniniuose fotoaparatuose. b ) Vertikaliai sudedamas spalvų jutiklis, kuriame jutikliai veikia ir kaip aktyvūs aptikimo sluoksniai, ir kaip apatinių sluoksnių pralaidumo filtrai. c ) hibridinių perovskitų (idealizuotų kubinių) kristalų struktūros schema - medžiagos, pasižyminčios didele optiniu sugertimi, efektyviu krūvio pernešimu ir juostos tarpų pritaikomumu. Žaliosios sferos, Pb; tamsiai geltonos spalvos rutuliai, halogenidai (Cl, Br, I); mėlynos sferos, metilamonis. d ) Tipinių MAPbCl 3, MAPbBr 3 ir MAPb (Br / I) 3 kristalų, išaugintų iš nevandeninio tirpalo, naudojant tirpumo atgaline data, (iš kairės į dešinę) nuotrauka. e ) Išmatuota kiekvieno perokskite SC, naudojamo krūvoje, šviesos absorbcija. Kiekvienas detektoriaus sluoksnis sugeria ir filtruoja gaunamą šviesą. MAPbCl 3 sugeria ir filtruoja mėlynos bangos ilgį, MAPbBr 3 sugeria ir filtruoja likusią žalią šviesą, o MAPb (Br / I) 3 sugeria likusią šviesą iš matomo spektro. IR šviesos dalis neabsorbuojama.

Visas dydis

Šiame darbe siekėme ištirti naują nebrangių, tirpaluose auginamų puslaidininkinių medžiagų klasę - organinius – neorganinius hibridinius švino halogenido perovskitus - kaip jautrius ir nebrangius, spalvotus detektorius. Principo įrodymui mes panaudojome metilamonio švino halogenidus (MAPbX 3, kur MA = CH3 NH3 +, X = Cl -, Br -, I - arba jų mišiniai; su perovskito kristalų struktūra, 1c paveikslas). . Didelis šių junginių, kaip aukštos kokybės puslaidininkių, potencialas buvo parodytas per pastaruosius kelerius metus fotovoltiniuose tyrimuose ( 13, 14, 15, 16, 17), kuriuose fotovoltinės galios konvertavimo efektyvumas buvo iki 22, 1% (//www.nrel.gov /ncpv/images/efficiency_chart.jpg), palyginti su saulės elementais, kurių pagrindiniai komponentai yra silicis, CdTe ir III – V junginiai. Hibridinius perovskitus galima lengvai perdirbti iš įprastų organinių tirpiklių į plonasluoksnius, 18, 19 didžiųjų vienkristalų (SC) 20, 175 μm tirpaluose išaugintus CH3NH3PbI3 kristalus. Mokslas 347, 967–970 (2015). "Href = / articles / am2017163 # ref21 aria-label =" Reference 21 "data-track = click data-track-label = link> 21 arba nanostruktūrizuotos formos, 22, 23 naudojamos įvairių puslaidininkinių įtaisų, tokių kaip šviesos diodai, 24, 25, 26 lazeriai 27, 28, 29, 30 ir foto, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 rentgeno spinduliai 40, 41, 42 ir gama detektoriai. 175 μm tirpalu išaugintuose CH3NH3PbI3 kristaluose. Science 347, 967–970 (2015). " href = / articles / am2017163 # ref21 aria-label = "Reference 21" data-track = click data-track-label = link> 21, 43 Tokia taikymo įvairovė atsiranda dėl įtikinamų optinių ir elektroninių šių medžiagų charakteristikų: a tiesioginis juostos tarpas 44, 45, derinamas plačiame diapazone nuo ultravioletinių spindulių iki beveik infraraudonųjų spindulių, ryškių ir derinamų emisijos spektrų, 8, 27 aštrus optinės absorbcijos kraštas su dideliu išnykimo koeficientu, 44 - mažas nešiklių tankis (10 - 9 - 10, 11 cm – 3 ), 20, 175 μm tirpalu išaugintuose CH3NH3PbI3 kristaluose. Mokslas 347, 967–970 (2015). "Href = / articles / am2017163 # ref21 aria-label =" Reference 21 "data-track = click data-track-label = link> 21, 46, 47 mažas spąstų tankis ( 10 9 –10 10 cm – 3 ), 20 aukštų nešiklių mobilumo (25–100 cm 2 V – 1 s – 1 ) 175 μm tirpale išaugintuose CH3NH3PbI3 kristaluose. Science 347, 967–970 (2015). “ href = / articles / am2017163 # ref21 aria-label = "Reference 21" data-track = click data-track-label = link> 21, 48 ir ilgas įkrovos nešiklio tarnavimo laikas su dideliu eksitono difuzijos ilgiu. 17, 175 μm tirpalu išaugintuose CH3NH3PbI3 kristaluose. Mokslas 347, 967–970 (2015). "Href = / articles / am2017163 # ref21 aria-label =" Reference 21 "data-track = click data-track-label = link> 21 Svarbus skirtumas tarp perovskitų ir daugelio kitų puslaidininkių yra esant jų vadinamajam defektų tolerancijai: 48, 49, 50, 51, struktūriniai defektai, kurie turi mažiausią formavimo energiją ir todėl yra didžiausia koncentracija, nesudaro tarpų tarpų, todėl yra „gerybiniai“ elektroninių charakteristikų atžvilgiu. pažadėkite galimybę komerciniuose fotodetektoriuose (~ 10 μm ar storesnius) tirštus Si sugeriančius sluoksnius pakeisti plonomis perovskitų plėvelėmis (pavyzdžiui, šimtų nanometrų storio).

Neseniai buvo sukurtas gradientas tarp įkrovos nešiklio surinkimo efektyvumo paviršiuje ir didžiojoje hibridinių perovskitų dalyje, kad būtų sukurtas siaurajuostis (<20 nm) detektorius, pasižymintis dideliu spektriniu selektyvumu. 32, 33, 52 Čia pateikiame skirtingą metodą, kuris remiasi plačiajuosčio ryšio aptikimu, ir vėl naudodamas SC detektorius koncepcijos įrodymui. Spalva pasirenkama vertikaliai sujungiant kelis SC, kurių kiekvienas turi skirtingą juostos tarpo energiją ir todėl veikia kaip optinis apatinių kristalų filtras. Tokiu būdu sudedant tris MAPbX 3 halogenidus (X = Cl - viršuje, X = Br - viduryje ir X = Br / I - apačioje), kiekvieno kristalo gaunamas spektrinio atsako pralaidumas labai primena kūgio elementų, esančių žmogaus tinklainė.

Metodai

Perovskito MAPbX 3 SC paruošimas

Neišnešioti 5–12 mm „MAPbX 3“ SC buvo paruošti kitur aprašytomis procedūromis, naudojant nevandeninį požiūrį, 53, 54, gaunami 2–3 mm dydžio šoniniai ir maždaug 1 mm storio SC. Metilamonio jodidas buvo paruoštas, kaip aprašyta kitur 14, ir plaunamas dietilo eteriu. Kiti metilamonio halogenidai buvo paruošti analogiškai, bet neplaunant dietileteriu. Visos medžiagos buvo gabenamos ore. SC buvo skalaujami jų atitinkama vandenilio rūgšties rūgštimi ir 1-butanoliu ir laikomi ore. Mišrios perovskito skiedros buvo paruoštos paviršiaus apliejimu MAPbBr 3 SC, naudojant 0, 17 M metilamonio švino jodido (MAI) tirpalą t-butanolyje 8–15 h 80 ° C temperatūroje. Po anijonų mainų kristalai buvo plaunami 1-butanoliu ir 30 min atkaitinami ore 80 ° C temperatūroje. Kiekvienas SC buvo padengtas laidžia sidabro pasta ant dviejų priešingų briaunų, kad būtų galima vėliau matuoti matomos šviesos atsaką. „Perovskite“ SC buvo sudedami tokia tvarka: MAPbCl 3 (viršuje, nukreipta į krintančią šviesą), MAPbBr 3 (viduryje) ir MAPb (Br / I) 3 (apačioje). Šie sluoksniai buvo atskirti plonomis izoliacinėmis ir skaidriomis polimerinėmis plėvelėmis. Vienas kiekvieno elektrodo elektrodas buvo sujungtas su įtampa, o kiti trys elektrodai buvo prijungti prie atskirų apkrovos varžų, iš kurių įtampos kritimas buvo naudojamas kaip atitinkami spalvos signalai.

Perovskito MAPbX 3 plėvelių paruošimas optinės absorbcijos matavimui

„MAPbX 3“ plėvelės buvo nusodintos ant stiklo pagrindų, dengiant sukamaisiais dažniais, esant 3000 aps./min., 60 s ore. Stiklo substratai buvo iš anksto išvalyti plaunant acetonu, ultragarsu tiriant izopropanolyje ir vandenyje 10 min., O deguonimi plazmoje apdorojant 5 min. Paprastai į substratą buvo išpilama 40 μl 1 M perovskito pirmtako tirpalo ir padengta centrifugavimu. Perovskito pirmtako tirpalai buvo tie patys, kurie buvo naudojami SC augimui: 1 M dimetilsulfoksidas: dimetilformamidas (DMSO: DMF) (1: 1) MAPbCl 3, 1 M DMF MAPbBr 3 ir 1 M gama-butirolaktonas (GBL). „MAPbI 3“ . Dengtos plėvelės buvo dedamos ant karštos plokštės, nustatytos 10 ° C temperatūroje 10 minučių ore.

Perovskito MAPbX 3 fotodetektorių paruošimas

Atitinkami mažų dydžių MAPbX 3 SC buvo susmulkinti į smulkius miltelius. Milteliai buvo sumaišyti su kalibruotais silicio dioksido rutuliais, kurių skersmuo 15 μm, ir suspausti tarp indžio alavo oksidu (ITO) dengtų stiklo substratų (aktyvus plotas apie 0, 5 x 0, 5 cm 2 ). Taigi silicio sferos veikia kaip tarpinės. Ši konfigūracija buvo mechaniškai pritvirtinta epoksidiniais klijais iš kraštų. Sotieji atitinkamų perovskito pirmtakų tirpalai buvo įpilti į likusią tuščią vietą tarp ITO sluoksnių, kad būtų galima perkristalizuoti į šiurkščiavilnių perovskito sluoksnius uždaroje erdvėje. Po 2 dienų tirpiklis išdžiovinamas vakuuminėje krosnyje 80 ° C temperatūroje.

Fotolaidumas ir atvaizdavimas

Matavimai buvo atlikti apšvietimu volframo lempa, suteikiant ištisinį platų spektrą, apimantį visą matomą diapazoną. Šviesą moduliavo mechaninis smulkintuvas dažnių diapazone 5–1000 Hz, tuo tarpu atliekant fotolaidumo matavimus buvo taikoma moduliacija 40 Hz dažniu. Maždaug 3–5 V įtampą, parinktą atsižvelgiant į tamsiosios srovės stabilumą, pritaikė „Keithley 236 SMU“ („Keithley Instruments“, Cleveland, OH, JAV). Kiekvieno spalvų kanalo fotolaidumo signalai tuo pačiu metu buvo fiksuojami „Stanford Research SR-830“ užrakinimo stiprintuvu („Stanford Research Systems“, Sunnyvale, CA, JAV). Sąranka buvo kontroliuojama pagal pasirinktinę „LabView“ („National Instruments Corp.“, Ostinas, TX, JAV) programą. Du vaizdai buvo atspausdinti ant polimerinių skaidrių, naudojant CMYK spalvų schemą, komercinį spausdintuvą („HP LaserJet CM2320“, „Hewlett-Packard“, Palo Alto, CA, JAV). Šie skaidriai buvo nuskaityti dviem normaliais baltos šviesos pluošto matmenimis 50 mm vertimo pakopomis (Thorlabs MTS50 / M-Z8E, Thorlabs, Inc. Newton, NJ, JAV). Atliekant fotolaidumo spektro matavimus, volframo lempos balta šviesa buvo monochromuota naudojant Acton SP2150 (Princeton Instruments, Trenton, NJ, JAV) spektrografą / monochromatorių, o 50% monochromatizuotos šviesos buvo nukreipta polka-dot pluošto dalikliu (Thorlabs BPD508- FS, „Thorlabs, Inc.“, Niutonas, NJ, JAV) į atskaitos kanalą, kurį sudarė galingumo kalibruotas piroelektrinis detektorius (UM9B-BL, „Gentec-EO“, Kvebeko miestas, Kvebekas, Kanada).

Optinės absorbcijos apibūdinimas

Perovskito plėvelių ultravioletiniuose spinduliuose matomi absorbcijos spektrai buvo surinkti naudojant Jasco V670 (Jasco Laboru. Datentechnik GmbH, Gross-Umstadt, Vokietija) spektrometrą su integruota sfera, o SC buvo matuojami perdavimo režimu pagal individualų užsakymą. Sugerties koeficientai buvo perskaičiuoti pagal plėvelės storį, apskaičiuotą kaip penkių matavimų ant plunksninio profilometro vidurkis.

Rezultatai

Įrenginio gamyba

Vienas iš pagrindinių „MAPbX 3“ puslaidininkių pranašumų yra lengvas jų juostos tarpo energijų derinimas per visą matomą spektrinį diapazoną, koreguojant halido kompoziciją. 27 Šiam koncepcijos įrodymo tyrimui mes panaudojome tokių junginių SC (1d pav.) Dėl jų geriausių elektroninių charakteristikų, palyginti su polikristalinėmis plonosiomis plėvelėmis, ir prietaiso pagaminimo paprastumo. Stačiakampės prizmės formos MAPbCl 3 ir MAPbBr 3 SC buvo auginami iš 1 M dimetil sulfoksido: DMF (1: 1) ir DMF tirpalų atitinkamai 50 ° C ir 80 ° C temperatūroje, laikantis anksčiau aprašytos sintezės metodikos. 53, 54 MAPb (Br / I) 3 SC buvo gaunami panardinant MAPbBr 3 SC į MAI tirpalą t-butanolyje 80 ° C temperatūroje 8–15 h, dėl ko paviršiaus srityje susidarė Br-to-I anijonai. . Manome, kad tokie SC turi šviesos aptikimą pirmiausia šiame turtingame regione. Pasirinkus MAPb (Br / I) 3 SC kaip apatinį mūsų prototipo sluoksnį, yra remiamasi didesniu jo elektroniniu stabilumu (greičiausiai dėl sumažėjusio jonų dreifo 43, 55 ) ir plokščia, prizmine forma (patogu sukrauti), palyginti su MAPbI 3 . „MAPbI 3“ SC turi didelę, briaunotą išvaizdą.

Juostelių spragos „MAPbX 3 SC“ yra tokios, kad chloridas sugeria tik mėlynojo bangos ilgį iš matomo spektro, bromidas sugeria mėlyną ir žalią spalvas, o jodidas išlieka nepermatomas; tai yra, kiekvienas sluoksnis taip pat atlieka pagrindinio sluoksnio ilgalaikio optinio filtro vaidmenį, kaip parodyta absorbcijos spektruose 1e paveiksle. Priešingai nei dažnių juostos pralaidumo filtrai „Bayer“ schemoje (1a pav.), Vertikalioje rietuvių schemoje (1b paveikslas) šviesa neišsisklaido praleidžiamuosiuose filtruose, tarnaujančiuose kaip viršutiniai sluoksniai, o vietoj to paverčiama fotogeneravimo įkrovos nešikliais. Tokiu būdu galima efektyviai išnaudoti du trečdalius šviesos, kurią paprastai praranda spektrinis atmetimas „Bayer“ atimties filtrų sistemoje.

Daugiaspalvis aptikimas

Norėdami įrodyti, kad švino halogenidų perovskitai yra naudojami kaip „Foveon“ tipo fotodetektorius, pasižymintis papildomomis absorbcijos savybėmis, mes sukūrėme paprastą mazgą iš trijų vertikaliai sukrautų perovskito SC: MAPbCl 3 kaip viršutinį sluoksnį, MAPbBr 3 kaip vidurinį sluoksnį ir MAPb (Br / I) 3 kaip apatinį sluoksnį, elektriškai izoliuotą vienas nuo kito polimerinėmis plėvelėmis (2a pav.). Mes naudojome konfigūraciją su trimis lygiagrečiais registracijos kanalais (2a ir b paveikslai) su keturiais elektriniais gnybtais (kur vienas gnybtas yra bendras visoms trims SC). Atskirų SC fotolaidumo matavimai parodo aktyvų optinį mėlynos, žalios ir raudonos bangos ilgio filtravimą atitinkamai MAPbCl 3, MAPbBr 3 ir MAPb (Br / I) 3 SC (2c paveikslas). Išsamus optoelektroninis atskirų fotodetektorių apibūdinimas pateiktas papildomuose 1 ir 2 paveiksluose. Aštrius aptikimo bangos ilgius ilgesnėje ir trumpesnėje bangų pusėse kiekviename sluoksnyje atitinkamai lemia aštrus SC absorbcijos kraštas. tas sluoksnis (ties ilgojo bangos ilgio riba) ir aukščiau esančiu sluoksniu (iš trumpojo bangos ilgio, kaip Br ir Br / I SC atvejais). Be šios konkrečios išdėstymo tvarkos, MAPbBr 3 ir MAPb (Br / I) 3 fotoreakcijos būtų išplitusios nuo jų juostos krašto iki ultravioletinių bangų ilgių (1 papildomas paveikslas). „Perovskite“ SC rodo fotoatsakos tiesiškumą 0–10 V poslinkio diapazone (papildomas 2a paveikslas). MAPbCl 3 ir MAPbBr 3 SC turi linijinę elgseną, palyginti su kintančiu šviesos intensyvumu, tuo tarpu MAPb (Br / I) 3 atsakas yra prisotintas, greičiausiai dėl spąstų ar joninio dreifo. Visi perovskito SC turi mažą tamsiąją srovę ir santykinai greitą fotoatsaką, kurio pralaidumas ne mažesnis kaip 50 Hz (papildomi 2b ir d paveikslai).

Image

Spalvoto perovskito detektoriaus fotolaidumas. a ) Statinio SC fotodetektoriaus eskizas ir jo elektros jungties schema. b ) Detektoriaus prototipo nuotrauka, surinkta iš trijų SC, sudėtų ant lusto laikiklio: MAPbCl 3 viršuje, MAPbBr 3 viduryje ir MAPb (Br / I) 3 apačioje. c ) Normalizuoti atskirų ŠK fotolaidumo spektrai sukrautame detektoriuje, pateikti b . Spektrai nežymiai sutampa, nurodant ilgalaikio filtravimo efektą iš vieno sluoksnio į kitą.

Visas dydis

Norėdami išbandyti detektoriaus prototipą, pirmiausia atsispausdinome keletą įvairaus sudėtingumo vaizdų ant polimerų skaidrių (naudodami lazerinį spausdintuvą, su CMYK spalvotu padėklu). Tuomet šiuos vaizdus įrašėme į skaidres, naudodami perovskito detektorių. Tam skaidrės buvo dedamos tarp detektoriaus ir baltos šviesos apšvietimo (kaitinamąja halogenine lempa). Balta šviesa buvo sufokusuota į 1 mm spindulį, taip nustatant galutinę vaizdo skiriamąją gebą. Šis pluoštas sklido per skaidrumą ir buvo aptiktas detektoriaus. Norint atgaminti vaizdus naudojant perovskito detektorių, skaidrumas buvo dvimatis, nuskaitytas aplink šią spindulį. Bandomuosius vaizdus sudarė paprastų septynių spalvų juostelių vaizdas (kiekvienos juostelės plotis 7 mm, 3a – e pav.) Ir ryškios fotoliuminescencijos nuotrauka iš koloidinių CsPbX 3 nanokristalų kolbose (X = Cl -, Br -, I - ir Cl / Br - arba Br / I - sistemos, 3f – j pav. Neseniai buvo įrodyta, kad šie perovskito NC gamina ryškias, grynas spalvas, kurios apima visą matomą diapazoną ir didelę spalvų gamą (146% Nacionalinio televizijos sistemos komiteto standarto). 56

Image

Perovskito SC detektoriaus spalvų jutimo įrodymas. a ) patikrinkite skaidrumą, susidedantį iš septynių spalvotų juostelių. ( b - d ) Fotoelektrinės srovės signalai, matuojami iš detektoriaus erdvinio nuskaitymo per spalvotų juostelių seką a . Raudoni (R), žali (G) ir mėlyni (B) kanalai atitinka atitinkamai MAPb (Br / I) 3, MAPbBr 3 ir MAPbCl 3 SC. e ) bandymo skaidrumo atgaminimas sujungiant R, G ir B kanalus ( b - d ). f ) bandymo skaidrumas, parodant kolbų su fluorescenciniais koloidiniais perovskito nanokristalų tirpalais serijas. Vaizdo dydis yra 5 × 5 cm. Iš dalies perspausdintas, gavus „Nano Letters“ leidimą, 2015 m. Birželio 10 d., 15 (6), viršelis. Autorinės teisės 2015 m. Amerikos chemijos draugija. ( g - i ) Atitinkami R, G ir B kanalai, gaunami atliekant dvimatį detektoriaus nuskaitymą per bandymo atvaizdą f pav . ( j ) Bandymo skaidrumo atgaminimas f, sujungiant R, G ir B kanalus gi .

Visas dydis

Spalvotų juostų vaizdo nuskaitymo naudojant detektoriaus prototipą rezultatai pateikiami kaip fotolaidumo diagramų serija: po vieną iš trijų kanalų (raudona, žalia ir mėlyna, įrašyti vienu metu, 3b – d paveikslai). Šie trys grafikai atkuria perduodamą šviesos dalį raudonojoje, žaliojoje ir mėlynojoje spektrinėse srityse. Palyginus signalo intensyvumą kiekviename kanale, galima nustatyti originalią, kritusią šviesos spalvą. Pavyzdžiui, mėlynos spalvos juostelė perduoda aukščiausią signalą, užfiksuotą MAPbCl 3 kanalu, tuo tarpu raudonos ir žalios spalvos juostelės perduoda aukščiausią signalą atitinkamai iš MAPb (Br / I) 3 ir MAPbBr 3 kanalų. Be to, balti regionai tarp juostelių sukuria maksimumus kiekviename kanale, tuo tarpu juodoji juostelė sukuria minimalų kiekviename kanale. Geltona spalva, atimant spalvų modelį, yra papildoma mėlyna spalva; todėl geltona juostelė atpažįstama pagal aukštą signalą tiek MAPbBr 3 (žalias), tiek MAPb (Br / I) 3 (raudonas) kanaluose, bet žemas signalas MAPbCl 3 (mėlynas) kanale. Derinant iš šių trijų kanalų gautą informaciją ir normalizavimui bei spalvų balansui naudojant nespalvotus plotus, įmanoma (gana lengvai) atkurti pradinį juostų vaizdą (3e pav.).

Raudonai žaliai mėlynos (RGB) detektoriaus prototipas taip pat sugebėjo ištikimai atkurti antrąjį bandomąjį vaizdą (3f pav.), Pasižymėdamas įspūdinga spalvų perdavimo kokybe, derindamas signalus iš atskirų kanalų (3j paveikslas). Žalia ir raudona nuotraukos kolbos skleidė aukščiausius signalus per atitinkamus MAPbBr 3 ir MAPb (Br / I) 3 kanalus (3g ir h pav.). Panašiai mėlynoji kolba ryškiausiai pasirodė MAPbCl 3 kanale (3i paveikslas). Dėl ribotos nuskaitymo metodo skiriamosios gebos vaizdas buvo atkurtas su nedideliais artefaksais.

Diskusija

Kiek mums žinoma, vienintelis komercinių spalvų jutiklis, naudojantis vertikalaus sluoksnio išdėstymą, būtent įvairių dopingo kompozicijų silicio sluoksnius, yra vadinamas prekės pavadinimu Foveon X3 („Sigma Corp.“, „Kawasaki“, „Kanagawa“, Japonija), naudojamas profesionaliame skaitmeniniame įrenginyje. vieno objektyvo refleksinių fotoaparatų, pagamintų „Sigma Corporation“. Tokiu atveju optinis filtravimo efektas pasiekiamas vienoje ištisinėje silicio plokštėje. Vertikalia kryptimi kiekvienoje silicio plokštelėje yra trys epitaksiniu būdu išauginti skirtingo storio aktyvieji regionai; Dėl staigios silicio absorbcijos ir priklausomybės nuo bangos ilgio (4a paveikslas), šie sluoksniai veikia kaip filtrai ir detektoriai tuo pačiu metu. Diskriminuojančiam ir efektyviam fotogeneratorių nešiklių rinkimui sluoksniai yra padailinti kaip n- arba p-tipo, kaip išsamiai aprašyta kitur. 6 Aišku, tada didžioji dalis kristalo naudojama raudonai šviesai aptikti. Nors ši technologija turi daug privalumų, tokių kaip muire ir demozacingų artefaktų nebuvimas, ši technologija brangi dėl to, kad turi sudėtingą gamybos metodą. Be to, dėl nuožulnaus silicio absorbcijos spektro, viršutinė sluoksniai vis dar sugeria žalios ir raudonos šviesos dalį, sukeliančią didelius jautrumo nuostolius ir neryškias spalvas.

Image

Tiesioginių ir netiesioginių juostų tarpo medžiagų taškų dydis. a ) MAPbX 3 perovskito plėvelių absorbcijos spektrai, palyginti su Si plėvelėmis. b ) Minimalus taškų, sudarytų iš sukrautų Si sluoksnių, dydis, palyginti su MAPbX 3 perovskitais. Mažiausias kiekvieno sluoksnio storis nustatomas pagal šviesos skverbimosi gylį. Tai turi įtakos minimaliam šoniniam pikselių dydžiui, kuris keičiamas pikselių storiu. Mastelio juosta yra 10 μm.

Visas dydis

Konceptualiai, hibridiniai perovskito fotodetektoriai yra labai perspektyvi alternatyva silicio pagrindu pagamintiems vertikaliai sukrautiems detektoriams dėl jų nebrangaus ir tvirto augimo plonų plėvelių ar SC pavidalo ir dėl jų aukštų absorbcijos koeficientų bei suderinamų juostų tarpų. Šviesos sugerties koeficiento dydis tiesiogiai parodo storį, reikalingą efektyviam fotono absorbavimui, kai jis veikia kaip filtras, taip pat fotodetekcijai. Pvz., MAPbBr 3 absorbcijos koeficientas žaliame regione yra viena eilės tvarka didesnis nei silicio (4a paveikslas); šis skirtumas siekia dvi MAPbI 3 dydžio eilutes raudoname matomo diapazono gale. Tik mėlynojoje pusėje, žemiau 420 nm, MAPbCl 3 ir silicio absorbcijos koeficientai yra panašūs. 4b paveiksle pateiktas šis silicio ir perovskito palyginimas atsižvelgiant į reikiamą kiekvieno sluoksnio storį ir atitinkamai į šoninį pikselio dydį. Perovskito pagrindu veikiantiems detektoriams galima tikėtis daug didesnės erdvinės skiriamosios gebos - iki 1 μm - 57, beveik artėjant prie Abbe matomos šviesos difrakcijos ribos (1 μm yra maždaug 1, 5–2, 5 bangos ilgio). Nors jis nereikalingas daugeliui komercinių programų, tokių kaip skaitmeniniai fotoaparatai, atsirandančioms technologijoms, tokioms kaip stacionariųjų bangų integruota Furjė transformacijos spektrometrija, norima daug didesnės erdvinės skiriamosios gebos. 58 Papildomas perovskito pranašumas, palyginti su siliciu, yra galimybė lengvai atjungti juostos tarpą anijonų mainų būdu, todėl susidaro mišrios halogenidų kompozicijos, leidžiančios tiksliai sureguliuoti ribą ties trumpo bangos ilgio matomu diapazonu. Tai, priešingai nei silicio atveju, gali panaikinti IR atmetančių sluoksnių poreikį.

Norėdami nustatyti, ar įmanoma sukurti masyvo detektorių su sukrautais perovskito sluoksniais, mes išbandėme plonesnius, 15 μm sluoksnius. Tokie sluoksniai buvo užauginti tarp ITO elektrodų (žr. „Eksperimento detalių aprašymo metodai“) ir parodė fotolaidumo spektrus, kurie yra plokšti ir pasislinkę mėlynai, atsižvelgiant į didelius SC (žr. Papildomą 1 paveikslą). Ploni perovskito fotodetektoriai demonstruoja netiesines šališkumo charakteristikas (greičiausiai dėl Schottky tipo barjerų ITO) su siauresniu veikimo diapazonu (papildomas 3a paveikslas). Viršijus 2 V, fotoatsakomumas sumažėjo. Šiems sluoksniams būdingos žymiai didesnės tamsiosios srovės (dėl plonų aktyviųjų sluoksnių) ir mažesnis fotoatsakos tiesiškumas, palyginti su šviesos intensyvumu. Tuo pačiu metu tokie ploni perovskito fotodetektoriai vis dar demonstravo greitą fotoatsaką (papildomas 3d pav.). Plonas perovskito plėveles žadama naudoti kaip aktyvius sluoksnius ant metalo oksidų lauko efektų tranzistorių, kad būtų sudaryti hibridiniai fototranzistoriai 9, 10, kurie yra suderinami tolimesniam adresui išskaidytomis integruotomis grandinėmis masyve. Neseniai perovskitai buvo sėkmingai įdiegti kaip absorbuojantys sluoksniai hibridiniuose fototranzistoriuose. 59 Atsižvelgiant į žinomą halogenidų jonų maišymą, tiesioginis perovskito sluoksnių kontaktas atrodo sudėtingas. Šią problemą gali sušvelninti įterpdami elektrai laidžius, optiškai skaidrius ir halogenidų jonus nelaidžius kontaktinius sluoksnius.

Apibendrinant, buvo parodytas perovskičio pagrindu pagamintas vieno pikselio RGB spalvų jutiklis su vertikalaus sluoksnio klojimo dizainu. Parodyta, kad šis detektoriaus prototipas gali ištikimai atkurti paprastus vienmačius vaizdus ir realius dvimačius vaizdus su puikia spalvų skiriamąja geba. Tokie vertikaliai sluoksniuoti detektoriai gali turėti keletą pranašumų, palyginti su tradiciniais „Bayer“ tipo dispersiniais ir subtraktyviniais optiškai filtruotais detektoriais: galimai didesnė erdvinė skiriamoji geba, pagerintas optinis efektyvumas ir sumažėjęs spalvotosios moiré ir demozacing artefaktų dažnis. 60 Ateitis turėtų būti atliekamas tokiu pat būdu gaminant perovskito sluoksnių plonasluoksnes krūvas, o naujausi pranešimai rodo, kad substrate gali augti plokšti mikrometrų storio perovskito sluoksniai. 35, 36

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Leidėjo pastaba

    „Springer Nature“ išlieka neutralus paskelbtų žemėlapių jurisdikcijos reikalavimų ir institucinių ryšių atžvilgiu.

    Papildoma informacija pridedama prie dokumento „NPG Asia Materials“ svetainėje (//www.nature.com/am)