Os sensores de luz infravermelha de ondas curtas (SWIR) são desejáveis em uma ampla gama de aplicações, particularmente nos setores de robótica de serviços, automotivo e de eletrônicos de consumo. Os pontos quânticos coloidais ajustados ao SWIR mostram-se promissores para tais sensores, uma vez que podem ser facilmente integrados ao CMOS, mas seu uso no mercado de massa tem sido dificultado pelo fato de que a maioria contém metais pesados tóxicos, como chumbo ou mercúrio. Agora, uma equipe de cientistas fabricou pontos quânticos a partir de materiais não tóxicos e os testou em um fotodetector fabricado em escala de laboratório, de acordo com um estudo. artigo recente publicado na revista Nature Photonics.
“A luz SWIR para detecção e geração de imagens é de suma importância devido às suas características únicas”, escreveram os autores. “É seguro para os olhos; pode penetrar através de neblina, neblina e outras condições atmosféricas, permitindo imagens sob condições climáticas adversas para aplicações automotivas, ambientais e de sensoriamento remoto; a presença de brilho noturno na faixa SWIR permite visão noturna passiva; e imagens visuais combinadas com espectroscopia infravermelha permitem visão mecânica, imagens biológicas e inspeção de qualidade de alimentos e processos”, entre outras aplicações.
Conforme relatado anteriormente, um ponto quântico é uma pequena esfera semicondutora com algumas dezenas de átomos de diâmetro. Bilhões poderiam caber na cabeça de um alfinete, e quanto menores você puder torná-los, melhor. Nessas pequenas escalas, os efeitos quânticos entram em ação e conferem aos pontos propriedades elétricas e ópticas superiores. Eles brilham intensamente quando atingidos pela luz, e a cor dessa luz é determinada pelo tamanho dos pontos quânticos. Pontos maiores emitem luz mais vermelha; pontos menores emitem luz mais azul. Assim, você pode adaptar pontos quânticos a frequências específicas de luz apenas alterando seu tamanho.
Antes considerados impossíveis de fabricar, os pontos quânticos tornaram-se um componente comum em monitores de computador, telas de TV e lâmpadas LED, entre outros usos. Por exemplo, os pontos quânticos permitem aos fabricantes de TV sintonizar com precisão as cores emitidas, produzindo tonalidades mais precisas numa gama mais ampla, ao mesmo tempo que utilizam menos eletricidade. Eles são úteis como uma alternativa aos corantes orgânicos usados para marcar agentes reativos em biossensores baseados em fluorescência e foram incorporados em janelas de vidro para essencialmente transformar essas janelas em energia fotovoltaica, potencialmente coletando pequenas quantidades de energia solar para compensar os custos de energia doméstica.
Em 2013, físicos alemães construíram o equivalente experimental do demônio de Maxwell com um par de pontos quânticos interagindo. Em 2015, cientistas fez “pontos de xixi” quânticos de urina reciclada e os usou para criar imagens biológicas de células de camundongos. As aplicações futuras podem incluir a incorporação de pontos quânticos em eletrônicos flexíveis, pequenos sensores e células solares ou seu uso em sistemas de comunicação quântica criptografados.
Os autores deste último artigo vêm do Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona (BIST) e da Qurv Technologies na Espanha. A equipe do BIST estava procurando maneiras de sintetizar nanocristais de telureto de prata e bismuto para dispositivos fotovoltaicos e percebeu que o telureto de prata era um dos subprodutos. O telureto de prata tinha propriedades ideais para pontos quânticos coloidais, principalmente a sintonização. Então a equipe mudou de rumo e desenvolveu um processo para produzir pontos quânticos de telureto de prata.
Os pontos quânticos resultantes tinham uma boa distribuição de tamanho e eram ajustáveis em uma ampla faixa espectral, incluindo SWIR. O próximo passo foi incorporar esses pontos quânticos em um fotodetector em escala de laboratório. Foi um desafio reverter a configuração usual do dispositivo, já que a luz é emitida pela parte inferior da maioria dos dispositivos em escala de laboratório, enquanto as pilhas CQD integradas ao CMOS envolvem a luz emitida pela parte superior, com a eletrônica do CMOS na parte inferior. A primeira tentativa teve sucesso apenas moderado porque o fotodiodo resultante não teve o desempenho esperado na faixa SWIR.
Os pesquisadores do BIST redesenharam o sensor com uma camada de buffer adicional para corrigir o problema, resultando em um sensor SWIR muito mais eficaz. Eles então colaboraram com os cientistas do Qurv para construir um sensor de imagem SWIR de prova de conceito feito de pontos quânticos não tóxicos que podem ser operados em temperatura ambiente. Eles foram capazes de capturar imagens da transmissão do wafer de silício sob a luz SWIR e observar o interior de garrafas plásticas que são opacas sob a luz visível. O próximo passo é reprojetar a pilha de camadas para melhorar ainda mais o desempenho do fotodiodo, bem como explorar outras químicas de superfície.
Fotônica da Natureza, 2024. DOI: 10.1038/s41566-023-01345-3 (Sobre DOI).
Pontos quânticos não tóxicos para sensores de imagem infravermelha de ondas curtas CMOS para eletrônicos de consumo.