Solution-processed Al-doped ZnO nanowire arrays/CuSCN lateral heterojunctions for low-intensity ultraviolet photodetection

Licht, das wir nicht sehen können, hält oft die Schlüssel zum Verständnis der Welt um uns herum bereit. Ultraviolettes Licht, ein hochenergetischer Teil des Spektrums direkt jenseits dessen, was das menschliche Auge wahrnehmen kann, ist essenziell für die Überwachung von Umweltveränderungen, die Sicherung der Kommunikation und die Diagnose medizinischer Zustände. Unsere Geräte, mit denen wir dieses Licht einfangen, benötigen jedoch meist eine konstante Stromversorgung, um zu funktionieren, ganz so wie eine Taschenlampe Batterien benötigt. Diese Abhängigkeit von externer Energie begrenzt, wo und wie lange diese Sensoren operieren können, insbesondere in abgelegenen oder empfindlichen Umgebungen. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem Weg, Detektoren zu bauen, die ihren eigenen Strom erzeugen, wenn sie von Licht getroffen werden, wodurch selbstbetriebene Systeme entstehen, die leichter, günstiger und nachhaltiger sind. Die Herausforderung besteht darin, Materialien zu finden, die nicht nur empfindlich auf ultraviolettes Licht reagieren, sondern auch in der Lage sind, diese Energie ohne äußere Hilfe in ein elektrisches Signal umzuwandeln.

In einer kürzlich durchgeführten Studie gingen Forscher der East China University of Technology dieses Problem an, indem sie winzige, nadelartige Strukturen aus Zinkoxid züchteten, einem häufigen Mineral, das für seine Fähigkeit bekannt ist, auf Licht zu reagieren. Sie verwendeten nicht einfach reines Zinkoxid; sie mischten sorgfältig kleine Mengen Aluminium unter, um die Art und Weise zu verändern, wie das Material Strom leitet. Diese mit Aluminium dotierten Zinkoxid-Nadeln wurden in dichten, geordneten Reihen auf einer Glassubstanz gezüchtet, die mit winzigen elektrischen Kontakten gemustert war. Sobald diese Nadelarrays platziert waren, überzogen die Forscher sie mit einer dünnen Schicht aus Kupferthiocyanat, einem anderen Material, das sich bei Kontakt mit Elektrizität entgegengesetzt verhält. Dort, wo diese beiden Materialien aufeinandertreffen, bilden sie einen Übergang, der wie ein Rückschlagventil für elektrische Ladungen wirkt. Wenn ultraviolettes Licht auf diesen Übergang trifft, erzeugt es einen elektrischen Fluss, den das Gerät messen kann, und das ganz ohne Batterie.

Die Forscher testeten fünf verschiedene Versionen dieses Geräts, von denen jede eine leicht unterschiedliche Menge an Aluminium im Zinkoxid enthielt. Sie bestrahlten die Sensoren mit einer spezifischen Art von ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von 365 Nanometern und einer geringen Intensität von 190 Mikrowatt pro Quadratzentimeter, um zu sehen, wie gut sie reagierten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Menge an Aluminium einen dramatischen Unterschied in der Leistung machte. Als kein Aluminium hinzugefügt wurde, funktionierte das Gerät zwar, aber sein Signal war schwach. Mit zunehmendem Aluminiumgehalt wurde das Gerät empfindlicher, jedoch nur bis zu einem gewissen Punkt. Die Version mit genau 0,5 Prozent Aluminium erwies sich als der Champion. Diese spezifische Mischung schuf den effizientesten Pfad für den elektrischen Fluss, was es dem Gerät ermöglichte, das schwache ultraviolette Licht mit bemerkenswerter Klarheit zu detektieren.

Die Leistung dieses optimalen Geräts war beeindruckend. Bei der Exposition gegenüber dem schwachen Licht erzeugte es ein Signal, das tausendfach stärker war als das Hintergrundrauschen, was eine Empfindlichkeit von 65.340 demonstrierte. Es konnte das einfallende Licht auch mit einer Effizienz von fast 750 Prozent in einen elektrischen Strom umwandeln – ein Wert, der darauf hindeutet, dass das Gerät mehr tut, als nur Elektrizität weiterzuleiten; es verstärkt das durch das Licht erzeugte Signal aktiv. Das Gerät war zudem in der Lage, extrem schwache Signale zu detektieren, wobei eine Sensitivitätskennzahl (Detektivität) von 1,1 mal 10 hoch 13 Jones erreichte, einer Standardeinheit, die verwendet wird, um zu messen, wie gut ein Sensor in der Dunkelheit „sehen“ kann. Die Geschwindigkeit des Geräts hängt jedoch davon ab, wie es betrieben wird. Wenn es ohne externe Spannung (bei 0 Volt) betrieben wird, benötigt es etwa 36 Sekunden, um nach dem Einschalten des Lichts seine volle Reaktion zu erreichen, kehrt jedoch nach dem Ausschalten des Lichts in nur 1,9 Sekunden in seinen Ruhezustand zurück. Die Forscher stellten fest, dass das Gerät wesentlich schneller reagiert, wenn eine kleine externe Spannung angelegt wird (beispielsweise 2 Volt), was bestätigt, dass die langsame Anstiegszeit spezifisch für den selbstbetriebenen Modus ist und keine allgemeine Einschränkung des Materials darstellt.

Die Studie ergab, dass das Hinzufügen zu viel Aluminium die Leistung des Geräts tatsächlich verschlechterte. Wenn der Aluminiumgehalt über 0,5 Prozent stieg, wurden die Nadeln weniger geordnet und der elektrische Fluss wurde unübersichtlich, was dazu führte, dass der Sensor seine Schärfe verlor. Dieser Befund deutet darauf hin, dass eine präzise Balance in der Zusammensetzung des Materials erforderlich ist, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Die Forscher beobachteten auch, dass das Gerät perfekt ohne eine externe Stromquelle funktionierte, was bestätigte, dass der Übergang zwischen dem Zinkoxid und dem Kupferthiocyanat stark genug war, um den Detektionsprozess eigenständig voranzutreiben. Durch den Nachweis, dass eine einfache, kostengünstige Methode zum Züchten dieser Materialien eine solch hohe Leistung liefern kann, bietet die Studie einen vielversprechenden Weg zur Schaffung einer neuen Generation von UV-Sensoren, die unabhängig im Feld operieren können, von Umweltüberwachungsstationen bis hin zu medizinischen Diagnosetools.