Amplio espectro: Un nuevo material híbrido demuestra ser un eficiente fotodetector
Las cámaras digitales, así como muchos otros dispositivos electrónicos, necesitan sensores sensibles a la luz. Para satisfacer la creciente demanda de componentes optoelectrónicos de este tipo, la industria está buscando nuevos materiales semiconductores. Se supone que no sólo deben cubrir un amplio rango de longitudes de onda, sino que también deben ser económicos. Un material híbrido, desarrollado en Dresde, cumple con ambos requisitos. Himani Arora, un estudiante de doctorado en física en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), demostró que esta estructura orgánico-metálica puede utilizarse como un fotodetector de banda ancha. Como no contiene ninguna materia prima costosa, puede ser producido a granel de manera económica.
Los físicos de la HZDR y la TU Dresden han desarrollado un fotodetector, que se basa completamente en capas de marcos metal-orgánicos. Dado que este compuesto puede detectar y transformar un amplio rango de longitudes de onda de luz en señales eléctricas, podría convertirse en un nuevo material detector.
HZDR / Juniks
En los últimos veinte años, las estructuras orgánicas de metal (MOF) se han convertido en un codiciado sistema de materiales. Hasta ahora, estas sustancias altamente porosas, de las cuales hasta el 90 por ciento están compuestas de espacio vacío, se han utilizado en gran medida para almacenar gases, para catalizar o para liberar lentamente fármacos en el cuerpo humano. "El compuesto de marco metal-orgánico desarrollado en la Universidad Técnica de Dresde comprende un material orgánico integrado con iones de hierro", explica el Dr. Artur Erbe, jefe del grupo "Transporte en Nanoestructuras" del Instituto de Física de Rayos Iónicos e Investigación de Materiales de la HZDR. "Lo especial de esto es que la estructura forma capas superpuestas con propiedades semiconductoras, lo que la hace potencialmente interesante para aplicaciones optoelectrónicas".
El grupo tuvo la idea de usar el nuevo semiconductor bidimensional MOF como fotodetector. Con el fin de seguir adelante, Himani Arora investigó las propiedades electrónicas del semiconductor. Exploró, entre otras, hasta qué punto la sensibilidad a la luz dependía de la temperatura y la longitud de onda, y llegó a una conclusión prometedora: De 400 a 1575 nanómetros, el semiconductor podía detectar un amplio rango de longitudes de onda de luz. El espectro de la radiación va, por lo tanto, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. "Esta es la primera vez que hemos probado una fotodetección de banda ancha de este tipo para un fotodetector basado completamente en capas MOF", señala el candidato al doctorado. "Estas son propiedades ideales para usar el material como elemento activo en componentes optoelectrónicos".
La pequeña brecha de la banda hace que la eficiencia
El espectro de longitudes de onda que un material semiconductor puede cubrir y transformar en señales eléctricas depende esencialmente del llamado "bandgap". Los expertos utilizan este término para describir la distancia energética entre la banda de valencia y la banda de conducción de un material de estado sólido. En los semiconductores típicos, la banda de valencia está completamente llena, por lo que los electrones no pueden moverse. La banda de conducción, por otra parte, está en gran parte vacía, por lo que los electrones pueden moverse libremente e influir en el flujo de corriente. Mientras que la brecha en los aisladores es tan grande que los electrones no pueden saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, los conductores metálicos no tienen tales brechas. El espacio de banda de un semiconductor es lo suficientemente grande como para elevar los electrones al nivel de energía más alto de la banda de conducción usando las ondas de luz. Cuanto más pequeño es el espacio de banda, menor es la energía requerida para excitar un electrón. "Como la brecha en el material que exploramos es muy pequeña, sólo se requiere muy poca energía lumínica para inducir la electricidad", explica Himani Arora. "Esta es la razón del gran rango del espectro detectable".
Enfriando el detector a temperaturas más bajas, el rendimiento puede mejorarse aún más porque la excitación térmica de los electrones se suprime. Otras mejoras incluyen la optimización de la configuración de los componentes, la producción de contactos más fiables y un mayor desarrollo del material. Los resultados sugieren que los fotodetectores basados en MOF tendrán un futuro brillante. Gracias a sus propiedades electrónicas y a su fabricación barata, las capas de MOF son candidatos prometedores para una serie de aplicaciones optoelectrónicas.
"El siguiente paso es escalar el grosor de la capa", dice Artur Erbe, mirando hacia adelante. "En el estudio, se utilizaron películas MOF de 1,7 micrómetros para construir el fotodetector. Para integrarlos en los componentes, tienen que ser significativamente más delgados." Si es posible, el objetivo es reducir las capas superpuestas a 70 nanómetros, es decir, 25 veces más pequeñas que su tamaño. Hasta este espesor de la capa, el material debería mostrar propiedades comparables. Si el grupo puede demostrar que la funcionalidad sigue siendo la misma en estas capas significativamente más delgadas, pueden entonces embarcarse en su desarrollo hasta la etapa de producción.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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