Nat. Nanotech.:可拉伸色敏量子點納米復合材料用于實現形狀可調光電晶體管
【引言】
在開發形狀可調光電晶體管陣列的過程中,存在著兩方面挑戰。一是光電探測材料的延展性和顏色靈敏度需要進一步提高;二是需要對可形變光電晶體管陣列中因機械變形和疲勞累計造成的光學像差和噪聲進行適當的補償。目前來說,人們已經開發出一些策略以提高形狀可調成像系統的光電性能和機械穩定性。一種策略是采用超薄無機光敏半導體材料和應變耗散器件設計。這些器件結構允許不可拉伸的光敏材料在機械變形下保持其電學性能。然而,這種形狀可調的結構設計方法需要復雜的制造工藝。此外,由于使用應變耗散連接,限制性面密度相關的不良問題仍然存在。另一種策略則是采用可拉伸的材料如聚合物半導體或者彈性體,這不需要使用特殊的器件設計和幾何形狀。然而,這種策略的缺陷在于材料和設備的性能如多光譜傳感和寬視場成像能力以及耐久性方面在嚴重重復機械變形下仍然極具挑戰。因此,綜合上述策略,利用高性能無機光敏材料和軟聚合物電荷傳輸材料的可拉伸光敏半導體材料可能更適合于可拉伸光電探測器的制造。
【成果簡介】
有鑒于此,韓國基礎科學研究所Donghee Son、Dae-Hyeong Kim和Taeghwan Hyeon(共同通訊作者)等人提出了一種合理的材料設計和簡單的器件制造策略,基于量子點半導體納米復合材料(isQDSN)可實現可拉伸、多光譜和多路復用的光電晶體管陣列,同時,所制造的光電晶體管還展現出了顏色敏感和形狀可調特點。具體來說,isQDSN由有機半導體聚合物、尺寸可調量子點和彈性基體組成,由于表面能失配, isQDSN內形成了獨特的量子點空間分布,實現了高光敏特性。此外,通過采用深度神經網絡(DNN)算法,研究還解決了與形狀調諧多路光電晶體管陣列的光學像差和噪聲相關的關鍵挑戰。實驗顯示,此類多路復用光電晶體管陣列不管在其平坦或者變形狀態下均能精確檢測紅色/綠色/藍色圖案,展現出了極具前景的光電探測應用。韓國基礎科學研究所Jun-Kyul Song、Junhee Kim、Ja Hoon Koo和成均館大學Jiyong Yoon為本文共同第一作者,研究成果以 “Stretchable colour-sensitive quantum dot nanocomposites for shape-tunable multiplexed phototransistor arrays”為題發表在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。
本文所有圖來源于? 2022 Springer Nature Limited。
【亮點】
- 無機光敏量子點材料與柔性聚合物材料結合可大幅提高光電晶體管的力學性能。
- 利用表面能錯配優化量子點分布實現材料高光敏特性。
- 采用深度神經網絡算法,解決了與形狀調諧相關的光學像差和噪聲問題,即便在機械變形的情況下也可優化圖像傳感精度。
【圖文解讀】
圖一、用于可拉伸光電晶體管的isQDSN
(a)isQDSN示意圖,SEBS彈性體中存在著量子點和半導體聚合物纖絲(PDPP2T);
(b)使用isQDSN作為光吸收層的可拉伸光電晶體管陣列示意圖
(c)集成5?×?5×?3光電晶體管陣列在拉伸前(左)和拉伸30%后(右)的照片。;
(d)描述使用深度學習算法在機械變形中提高光電晶體管精度的過程示意圖。
圖二、isQDSN薄膜的材料表征
(a)貼在SEBS處理基板上的拉伸isQDSN膜的照片(50%拉伸,左圖)。右上角的圖片顯示了isQDSN的成分,即帶有油酸配體的紅色、綠色和藍色量子點的透射電子顯微鏡圖像(上圖)以及PDPP2T和SEBS的分子結構(下圖)。;
(b)isQDSN薄膜的橫截面HRTEM圖像;
(c)isQDSN中量子點ZnS殼層中鋅的線掃描能量色散X射線光譜結果;
(d)isQDSN膜的氮(黑色)和鋅(紅色)的深度XPS光譜;
(e)綠色量子點和isQDSN的時間分辨熒光光譜;
(f)量子點、PDPP2T和isQDSN薄膜在0.5 ps處的歸一化TA光譜?;
(g)PDPP2T和isQDSN薄膜在0.5 ps處的TA光譜;
(h)通過外部輻照(hν)產生的能帶圖和空穴移動示意圖。
圖三、可拉伸光電晶體管的表征
(a)可拉伸光電晶體管陣列示意圖;
(b-d)藍光晶體管(b)、綠光晶體管(c)和紅光晶體管(d)分別在450、525和630 nm光照下的光響應?(Lch?=?150?μm; Wch?=?1.5?mm);
(e)拉伸前(黑色曲線)和30%拉伸后(藍色、綠色和紅色曲線)周期性開/關照明條件下紅色、綠色和藍色光電晶體管的歸一化光電流;
(f)隨著應變從10%增加到30%,光電晶體管的歸一化光電流;
(g)不同應變(高達30%)下可拉伸光電晶體管的光響應率(左)和光探測率(右);
(h)與可變形透鏡陣列集成的光電晶體管陣列;
(i)不同角度光照射時透鏡聚焦效應的模擬結果;
(j)模擬結果比較了不同角度入射光的功率;
(k)透鏡陣列與不同入射角度照射的光集成后測量光電流的實驗裝置;
(l)不同入射角下有透鏡陣列集成和沒有透鏡陣列集成的光電晶體管歸一化光電流的比較。
圖四、使用可拉伸光電晶體管在曲面上結合深度學習算法的高密度成像演示
(a)平面(上圖)和變形狀態(下圖)下沿5×5×3光電晶體管陣列的示意圖和照片;
(b)采用深度學習算法的圖像感測示意圖;
(c)已開發的人工神經網絡;
(d)平面(上圖)和變形(下圖)狀態下R、G和B圖像圖案的歸一化電流信號;
(e)連接到fR_F(上圖)和fR_D(下圖)模式的權重相對于訓練次數的直方圖和高斯擬合曲線;
(f)關于訓練時間的訓練和驗證的損失和精度值?;
(g)分類結果的混淆矩陣;
(h)從平面和變形圖像中應用DNN(上)并通過顏色傳感算法確認入射光顏色后獲得的校正圖像圖案(下)。
【結論與啟示】
在這項研究中,作者通過XPS、透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡等技術詳細分析了isQDSN的組成,并對基于isQDSN的光電和機械性能進行了表征。isQDSN具有高顏色靈敏度、高效電荷傳輸和機械延展性。研究表明,在不犧牲面密度的情況下,使用isQDSN薄膜 可制造5?×?5?×?3的多路RGB光電晶體管陣列;加上應用DNN算法補償光學像差和/或噪聲,因此即使在各種機械變形下,也能提高圖像傳感精度。此外,在制作的光電晶體管陣列上集成PDMS透鏡可以進一步擴大視野。綜上,研究認為,使用DNN算法實現形狀調諧能力(固有可伸縮性)、無濾色器的多光譜傳感能力、大視場的可變形透鏡集成以及光學像差和噪聲補償的技術,對下一代人工視覺應用,如電子眼/假眼/小型寬視場攝像機/移動電子/機器人來說,都是非常有益的。
文獻鏈接:Stretchable colour-sensitive quantum dot nanocomposites for shape-tunable multiplexed phototransistor arrays, Nat. Nanotech., 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01160-x.
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