Новый теоретический обзор освещает потенциал и достижения в разработке фотосенсоров на основе коллоидных квантовых точек (ККТ).

Фотосенсорика на основе ККТ является одним из наиболее перспективных и активно исследуемых направлений фотоэлектроники инфракрасного диапазона.

Окружающая среда воспринимается человеком в основном при помощи зрения. Несмотря на уникальные характеристики человеческого глаза как оптического матричного фотосенсора он способен воспринимать только свет, который лежит в сравнительно узком интервале длин волн электромагнитного излучения — от ~0.38 мкм до ~0.72 мкм (видимая область), оставляя за пределами видимости ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны спектра. Но то, что не дала природа человеку, может быть реализовано методами технического зрения. Если для ультрафиолетовой части эта задача давно решена, то машинное зрение в инфракрасном спектре продолжает оставаться актуальной задачей. Специфическими проблемами в этой области являются: во-первых, охлаждение до криогенных температур для существующих ныне датчиков; во-вторых, зрение означает необходимость иметь матрицу из большого количества светочувствительных элементов. Именно эти проблемы возможно решить с использованием технологии ККТ.

В этом обзоре впервые представлен полный обзор архитектуры, методов и свойств фотонных сенсоров на основе квантовых точек групп элементов II, IV и VI, с исследованием синтеза, роли лигандов и морфологии точек. Обобщены лучшие оптоэлектронные устройства на основе квантовых точек, проанализированы ключевые тенденции в этом направлении развития.

Применение структур из ККТ в качестве элементной базы фотосенсорики позволяет реализовать целый ряд характеристик, имеющих принципиальное значение для ключевой технологии всего класса матричных приемников электромагнитного излучения: коллоидные квантовые точки на основе сульфида свинца были признаны в качестве одного из наиболее перспективных материалов ИК-фотосенсорики.

Несмотря на то, что основной упор сделан на анализ накопленных теоретических исследований, приводится ряд практического применения достижений из этой области: В 2020-х годах начато производство неохлаждаемых матричных фотоприемных устройств из ККТ PbS, включая мегапиксельные форматы 1280 × 1024 и 1920 × 1080, фотовольтаического типа с энергетическим барьером на границе С60 /ККТ PbS, где число недефектных фоточувствительных элементов составляет величину 99.9 – 99.95%, квантовая эффективность достигает 45%. По количеству фоточувствительных элементов эти фотосенсоры уже сравнялись с матричными приборами на основе эпитаксиальных 3D-слоев InGaAs.

С использованием полноформатных матриц на основе ККТ из PbS с числом элементов 640 × 512, 1280 × 1024 и 1920 × 1080 разработаны и стали коммерчески доступными инфракрасные камеры ночного видения с длинноволновой границей чувствительности, расширенной по сравнению с электронно-оптическими преобразователями вплоть до 2.0 – 2.1 мкм.

Предложен и исследован ряд новых архитектур фотосенсоров ИК-диапазона с использованием фоторезистивных, фотовольтаических и фототранзисторных структур, содержащих массивы коллоидных квантовых точек PbS, PbSe, HgTe, HgSe и функциональные слои из различных, в том числе 2D материалов.

Несмотря на значительные достижения, многие вопросы остаются открытыми, что стимулирует дальнейшие научные изыскания и разработки. В заключении обзора приведен ряд актуальных задач,  которые стоят перед этим революционным направлением науки, решение которых должно существенно ускорить развитие фотосенсорики на основе ККТ: а) поиск и отработка технологии постсинтетической замены лигандов с целью увеличения подвижности носителей зарядов, образовавшихся после распада фотоэкситонов; б) разработка технологии аэрозольной печати фоточувствительных и функциональных слоев на основе коллоидных квантовых точек; в) поиск архитектур и материалов ККТ, позволяющих обеспечить высокие фотосенсорные характеристики; г) разработка архитектур и технологий, пригодных для создания многоспектральных и полноформатных матричных фотосенсоров на основе ККТ.

Представляем вам  коллектив ученых, который совместно подготовил обзор исследования о фотосенсорах на основе коллоидных квантовых точек и опубликовал его в журнале “Успехи химии”.

– В.П. Пономаренко, Государственный научный центр РФ АО «НПО «Орион», Россия

– В.С. Попов, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Россия,

– И.А. Шуклов, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Россия,

– В.В. Иванов, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Россия,

– В.Ф. Разумов, Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук, Россия.

Ponomarenko V.P., Popov V.S., Shuklov I.A., Ivanov V.V., Razumov V.F. [1,2]. Photosensors based on colloidal quantum dots. // Russian Chemical Reviews, v.93, N4, p.RCR5113, 2024 Q1 IF= 7,46

Полный текст обзора доступен по ссылке. DOI: https://doi.org/10.59761/RCR5113