Производители инфракрасных камер сталкиваются с растущей проблемой: использование токсичных тяжёлых металлов в современных инфракрасных детекторах всё чаще запрещено экологическими нормами. Это вынуждает компании выбирать между эффективностью и соответствием требованиям.
Регуляторное давление замедляет внедрение инфракрасных детекторов в гражданских приложениях, в то время как спрос в таких областях, как автономные транспортные средства, медицинская визуализация и национальная безопасность, растёт.
В статье, опубликованной в ACS Applied Materials & Interfaces, исследователи из Инженерной школы Тандона Нью-Йоркского университета (NYU Tandon School of Engineering) предлагают потенциальное решение, использующее экологически чистые квантовые точки для обнаружения инфракрасного излучения без применения ртути, свинца и других ограниченных материалов.
Использование коллоидных квантовых точек
Исследователи используют коллоидные квантовые точки, что меняет устаревший, дорогостоящий и трудоёмкий процесс изготовления инфракрасных детекторов. Традиционные устройства изготавливаются с помощью медленных, сверхточных методов, при которых атомы размещаются практически по одному на пикселях детектора — подобно сборке пазла под микроскопом.
Коллоидные квантовые точки синтезируются полностью в растворе, подобно приготовлению чернил, и могут быть нанесены с использованием масштабируемых технологий покрытия, аналогичных тем, что используются в рулонном производстве упаковки или газет. Этот переход от кропотливой сборки к обработке на основе растворов значительно снижает производственные затраты и открывает двери для широкого коммерческого применения.
Профессор Аясканта Саху, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии (CBE) в NYU Tandon и старший автор исследования, говорит: «Индустрия сталкивается с идеальным штормом, когда экологические нормы ужесточаются как раз в тот момент, когда спрос на инфракрасную визуализацию резко возрастает. Это создаёт реальные узкие места для компаний, пытающихся увеличить производство тепловизионных систем».
Исследователи также решили задачу повышения проводимости чернил с квантовыми точками до уровня, необходимого для передачи сигналов от поступающего света. Они достигли этого с помощью метода, называемого обменом лигандов в растворе, который изменяет химию поверхности квантовых точек для повышения производительности в электронных устройствах.
В отличие от традиционных методов изготовления, которые часто оставляют трещины или неровные плёнки, этот процесс на основе раствора позволяет получать гладкие, однородные покрытия за один шаг — идеально подходит для масштабируемого производства.
Полученные устройства демонстрируют выдающиеся характеристики: они реагируют на инфракрасный свет на микросекундном временном масштабе (для сравнения, человеческий глаз моргает в сотни раз медленнее) и могут обнаруживать сигналы, столь же слабые, как нановольт света.
«Что меня волнует, так это то, что мы можем взять материал, который долгое время считался слишком сложным для реальных устройств, и разработать его, чтобы сделать более конкурентоспособным», — говорит ведущий автор исследования, аспирант Шлок Дж. Пол. «Со временем у этого материала есть потенциал работать глубже в инфракрасном спектре, где существует мало материалов для таких задач».
Эта работа дополняет более ранние исследования тех же ведущих исследователей, которые разработали новые прозрачные электроды с использованием серебряных нанопроводов. Эти электроды остаются высокопрозрачными для инфракрасного света, одновременно эффективно собирая электрические сигналы, что решает одну из компонентов системы инфракрасной камеры.
В сочетании с их более ранней работой над прозрачными электродами эти разработки решают обе основные компоненты систем инфракрасной визуализации. Квантовые точки обеспечивают возможность экологического соответствия при обнаружении, в то время как прозрачные электроды обрабатывают сбор и обработку сигналов.
Эта комбинация решает проблемы в массивах инфракрасных изображений большого размера, которые требуют высокопроизводительного обнаружения на больших площадях и считывания сигналов с миллионов отдельных пикселей детектора. Прозрачные электроды позволяют свету достигать детекторов с квантовыми точками, одновременно обеспечивая электрические пути для извлечения сигнала.
«Каждой инфракрасной камере в Tesla или смартфоне нужны детекторы, соответствующие экологическим стандартам и при этом экономически эффективные», — говорит Саху. «Наш подход может помочь сделать эти технологии гораздо более доступными».
Хотя производительность всё ещё уступает лучшим детекторам на основе тяжёлых металлов по некоторым параметрам, исследователи ожидают, что дальнейшие достижения в синтезе квантовых точек и разработке устройств могут сократить этот разрыв.
Предоставлено:
[NYU Tandon School of Engineering](https://phys.org/partners/nyu-tandon-school-of-engineering/)