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

Licht dat we niet kunnen zien, bevat vaak de sleutels tot het begrijpen van de wereld om ons heen. Ultraviolet licht, een hoogenergetisch deel van het spectrum net buiten wat het menselijk oog kan waarnemen, is essentieel voor het monitoren van milieuveranderingen, het beveiligen van communicatie en het diagnosticeren van medische aandoeningen. De apparaten die we gebruiken om dit licht op te vangen, hebben echter meestal een constante toevoer van elektriciteit nodig om te functioneren, net zoals een zaklamp batterijen nodig heeft. Deze afhankelijkheid van externe stroom beperkt waar en hoe lang deze sensoren kunnen werken, vooral in afgelegen of delicate omgevingen. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om detectoren te bouwen die hun eigen elektriciteit genereren wanneer ze door licht worden geraakt, waardoor zelfvoorzienende systemen ontstaan die lichter, goedkoper en duurzamer zijn. De uitdaging ligt in het vinden van materialen die niet alleen gevoelig zijn voor ultraviolet licht, maar ook in staat zijn om die energie om te zetten in een elektrisch signaal zonder enige externe hulp.

In een recente studie pakten onderzoekers aan de East China University of Technology dit probleem aan door minuscule, naaldvormige structuren te kweken van zinkoxide, een veelvoorkomend mineraal dat bekend staat om zijn vermogen om op licht te reageren. Ze gebruikten niet alleen puur zinkoxide; ze mengden er zorgvuldig kleine hoeveelheden aluminium aan toe om de manier waarop het materiaal elektriciteit geleidt te veranderen. Deze met aluminium gedoteerde zinkoxide-naalden werden in dichte, ordelijke rijen gekweekt op een glazen oppervlak dat voorzien was van minuscule elektrische contacten. Zodra deze naaldarrays op hun plaats waren, bedekte het team ze met een dunne laag koperthiocyanaat, een ander type materiaal dat zich op de tegenovergestelde manier gedraagt wanneer het aan elektriciteit wordt blootgesteld. Waar deze twee materialen elkaar ontmoeten, vormen ze een junctie die werkt als een eenrichtingsklep voor elektrische ladingen. Wanneer ultraviolet licht deze junctie raakt, creëert het een stroom van elektriciteit die het apparaat kan meten, en dat allemaal zonder een batterij nodig te hebben.

De onderzoekers testten vijf verschillende versies van dit apparaat, elk met een iets andere hoeveelheid aluminium gemengd in de zinkoxide-naalden. Ze scheen een specifiek type ultraviolet licht, met een golflengte van 365 nanometer en een lage intensiteit van 190 microwatt per vierkante centimeter, op de sensoren om te zien hoe goed ze reageerden. De resultaten toonden aan dat de hoeveelheid aluminium een dramatisch verschil maakte in de prestaties. Wanneer er geen aluminium werd toegevoegd, werkte het apparaat wel, maar was het signaal zwak. Naarmate het aluminiumgehalte toenam, werd het apparaat gevoeliger, maar slechts tot op een bepaef punt. De versie met precies 0,5 procent aluminium bleek de kampioen te zijn. Dit specifieke mengsel creëerde het meest efficiënte pad voor de stroom van elektriciteit, waardoor het apparaat het zwakke ultraviolette licht met opmerkelijke helderheid kon detecteren.

De prestaties van dit optimale apparaat waren opvallend. Wanneer het werd blootgesteld aan het licht met lage intensiteit, genereerde het een signaal dat duizenden keren sterker was dan de achtergrondruis, wat een gevoeligheid aantoonde die 65.320 bereikte. Het kon de binnenkomende lichtenergie ook omzetten in een elektrische stroom met een efficiëntie van bijna 7een 750 procent, een cijfer dat aangeeft dat het apparaat meer doet dan alleen elektriciteit doorgeven; het versterkt actief het door het licht gegenereerde signaal. Het apparaat was ook in staat om extreem zwakke signalen te detecteren, met een gevoeligheidsmetriek die bekend staat als detectiviteit, die 1,1 maal 10 tot de 13e macht Jones bereikte, een standaardeenheid die wordt gebruikt om te meten hoe goed een sensor in het donker kan zien. De snelheid van het apparaat hangt echter af van de wijze waarop het wordt bediend. Wanneer het wordt bediend zonder externe stroom (bij 0 volt), duurt het ongeveer 36 seconden voordat het zijn volledige respons bereikt nadat het licht is aangezet, hoewel het zich in slechts 1,9 seconden herstelt naar de rusttoestand zodra het licht wordt verwijderd. De onderzoekers merkten op dat als er een kleine externe spanning wordt toegepast (zoals 2 volt), het apparaat veel sneller reageert, wat bevestigt dat de trage stijgtijd specifief is voor de zelfvoorzienende modus en niet een algemene beperking van het materiaal is.

De studie onthulde dat het toevoegen van te veel aluminium de prestaties van het apparaat daadwerkelijk schaadde. Wanneer het aluminiumgehalte boven de 0,5 procent steeg, werden de naalden minder ordelijk en werd de elektrische stroom rommelig, waardoor de sensor zijn scherpte verloor. Deze bevinding suggereert dat er een precieze balans vereist is in de samenstelling van het materiaal om de beste resultaten te behalen. De onderzoekers observeerden ook dat het apparaat perfect functioneerde zonder enige externe stroombron, wat bevestigde dat de junctie tussen het zinkoxide en het koperthiocyanaat sterk genoeg was om het detectieproces op eigen kracht aan te drijven. Door te bewijzen dat een eenvoudige, goedkope methode voor het kweken van deze materialen dergelijke hoge prestaties kon opleveren, biedt de studie een veelbelovend pad naar de creatie van een nieuwe generatie ultraviolette sensoren die onafhankelijk in het veld kunnen opereren, van milieumonitoringsstations tot medische diagnostische instrumenten.