研究人员制造出廉价的广谱光电探测器

来自Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）的研究人员开发了一种低成本的宽带光电探测器，该探测器使用金属有机框架（MOF）。由于它不包含任何高成本原材料，因此可以廉价地批量生产。

在过去的20年中，由于MOF具有高度的多孔性，因此在医学上的实用性已成为人们梦寐以求的材料系统，可以用于催化或在人体中缓慢释放药物。

HZDR离子束物理与材料研究所的纳米结构传输小组负责人Artur Erbe博士说：“德累斯顿工业大学开发的金属有机框架化合物包含与铁离子结合的有机材料。” “与此有关的特别之处在于，该框架形成具有半导体特性的叠加层，这使其在光电应用中具有潜在的意义。”

HZDR和德累斯顿工业大学的物理学家开发了一种光电探测器，该探测器完全基于金属有机框架层。由于这种化合物可以检测到宽范围的光波长转换为电信号，因此它可以成为一种新颖的检测器材料。

学生Himani Arora研究了半导体的电子特性，探索了光敏度取决于温度和波长的程度。她发现，在400到1575 nm之间，半导体可以检测到很宽的光波长范围，辐射的光谱从紫外到近红外。

“这是我们首次为完全基于MOF层的光电探测器证明这种宽带光电探测，” Arora说。“这些是将材料用作光电组件中的有源元件的理想特性。”

半导体材料可以覆盖并转换为电信号的波长光谱主要取决于带隙，固态材料的价带和导带之间的能级距离。在典型的半导体中，价带完全充满，因此电子无法四处移动。另一方面，导带基本上是空的，因此电子可以自由移动，并影响电流。绝缘体的带隙很大，以至于电子不能从价带跃迁到导带，而金属导体则没有这样的间隙。半导体的带隙足够大，可以利用光波将电子提升到导带的更高能级。带隙越小，激发电子所需的能量越少。

“由于我们探索的材料中的带隙很小，因此只需要很少的光能就能感应出电能，” Arora说。“这就是可检测光谱范围大的原因。”

通过将检测器冷却至较低的温度，由于抑制了电子的热激发，因此可以进一步提高性能。其他改进包括优化组件配置，产生更可靠的触点以及进一步开发材料。

“下一步是缩放层厚度，” Erbe说。“在这项研究中，使用了1.7微米的MOF膜来构建光电探测器。为了将它们集成到组件中，它们必须更薄。”

如果可能，目的是将叠加层减小到70 nm，即比其目前小25倍。降至该层厚度，材料应表现出可比的性能。如果研究人员能够证明在这些明显较薄的层中功能仍然相同，那么他们可以着手将其开发到生产阶段。

该研究发表在《Advanced Materials》（www.doi.org/10.1002/adma.201907063）上。