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新型纳米级胶体半导体油墨 实现红外传感器的印刷制造

导读: Amin与其团队成员共同开发出下一代红外传感器,该红外传感器是通过喷墨打印等印刷技术制备出来的。这种简单的制备技术使得该红外传感器具有极高的成本效益。

Amir-Abbas Yousefi Amin博士是德国埃尔朗根-纽伦堡大学(简称:FAU)电子与能源技术材料“解决方案-加工半导体-材料(SOPSEM)”研究组的成员。据麦姆斯咨询报道,Amin与其团队成员共同开发出下一代红外传感器,该红外传感器是通过喷墨打印等印刷技术制备出来的。这种简单的制备技术使得该红外传感器具有极高的成本效益。

Amin与其团队日前获得了一项特殊荣誉:他们作为受邀的三支团队之一参加了德国慕尼黑著名的“LOPEC——驱动印刷电子未来”贸易展会,向国际专业的参会者展示了他们的传感器原型。他们是首支获得该荣誉的FAU团队。下面为对Amin团队的采访:

提问:Amin您好,您的研究领域着重在哪些方面?

Amin:我所在的研究团队为FAU电子与能源技术材料的“解决方案-加工半导体-材料(SOPSEM)”课题组,由Heiss教授领导,该课题的研究方向就是我的主攻领域。我致力于利用印刷技术开发电子器件。为此,我利用了新型纳米级胶体半导体。我们的研究团队利用化学方法在尺寸和组成上创造并调整了纳米材料,这些材料显示出有效且显著的特征。

提问:您与您的研究团队共同开发出了下一代红外传感器,能描述一下你们的工作以及传感器的研发过程吗?

Amin:商用红外传感器通常是在高温和真空条件下制备半导体晶体或薄膜。相比之下,我们的下一代红外传感器是通过喷墨打印技术制造的,使用起来几乎与办公室中任何设备一样简单。虽然这项技术以往曾应用于电子产品的开发,但它几乎只应用于有机半导体和金属。因此我们的研究团队将电子器件的印刷扩展至全功能无机半导体油墨,并采用胶体化学方法制备和合成。

Amin:与有机半导体相比,来自这些无机油墨的器件能够在长波红外波段工作,相比下,即使是标准硅器件也无法做到。在LOPEC,我们将介绍首个完全利用纳米晶体油墨打印的红外传感器。建立该技术后,每个由不同层组成的探测器只需14秒就可打印出来,该时间已包含干燥和电触点制造的时间。这种印刷技术的优点之一就是使用油墨会非常经济,因为每个探测器只需使用几微克材料,而少量材料可以精确地沉积在预定位置。到目前为止,大多数基于胶体纳米晶体油墨制备电子器件的解决方案都是通过旋转涂膜制备的,这种方法通常会造成材料的巨大损失,而我们希望避免这种损失。因此,红外传感器打印的关键是研发可在日常条件下打印的半导体油墨。

提问:贵团队制备的这种传感器有何特别之处?

Amin:我们的技术为红外传感器提供了无与伦比的成本优势。油墨中使用的合成纳米材料在它们工作的光谱范围内非常灵活。因此,根据潜在用户的需求定制探测器非常简单。

提问:此传感器的应用领域有哪些?

Amin:我们的红外探测器可以覆盖多个光谱区域,主要包括近红外医学窗口、波长约1.5微米的通信窗口,以及一些波长更长的大气窗口,这些都是监视和安防领域的重要光谱区域。此外,物质的化学分析往往基于红外光谱,可利用红外探测器,应用于食品监测或有害物质检测等领域。我们认为,我们的传感器也非常适合集成到红外成像系统中,相比较,基于传统半导体制造的红外成像系统对于广泛的应用来说,通常过于昂贵。

提问:贵团队是首支进入LOPEC决赛的FAU团队。你们怎样看待此殊荣?

Amin:当然,能够成为FAU首个入围LOPEC的团队是我们的荣幸。我来到LOPEC的主要目标是向潜在的行业用户展示我们的研究成果。在FAU,我接受了教育,后来又进入实验室,接受了几年熏陶,因此在取得一些有趣的研究成果并代表FAU出征竞选,也是很自然的事情。

提问:这次竞选会有怎样的奖励?

Amin:LOPEC为最终入围的候选团队提供了一个免费展位,可在整场展会中展示他们的实验原型。由于LOPEC的参观者涵盖了印刷电子在工业和科研领域的所有分支,因此这是我们展示新型纳米晶体探测器的最佳平台,可让我们有机会与该领域领导者交流并演示我们的器件原型。

提问:你们团队赢得比赛后会有哪些打算?

Amin:赢得比赛不是最重要的,因为对我们来说,通过此次活动能与该领域全球企业见面是头等大事。

新型纳米级胶体半导体油墨 实现红外传感器的印刷制造

打印红外器件的半导体油墨是其中的关键,以下为Amin团队的相关研究介绍:

利用PbS制备的胶体纳米晶体已成功地应用于各种结构的高灵敏度红外光电探测器。研究中,Amin团队展示了具有高探测率(~1012 cm·√Hz/W)且截止频率大于3 kHz的全印刷器件。采用自动化打印,可实现低材料消耗(每台探测器<0.3 mg)和短时加工(每台探测器14 s),可确保极低的器件成本。为实现全印刷器件,利用基于钙钛矿类甲基碘二氢铵配体稳定的纳米晶体研制出了一种油墨配方,该配体可均匀分散在三元溶剂中。利用印刷银电极和氧化锌中间层,来实现基于该溶剂的全喷墨印刷器件。通过向油墨中加入少量聚合物聚(乙烯基吡咯烷酮),可得到显著改善。该聚合物改善了油墨的胶体稳定性及其成膜性能,因此能够实现单探测器和探测器阵列的可扩展印刷。虽然研究中只展示了光电导体,但研发的油墨肯定会在一系列基于多种材料纳米晶体的电子器件中得到广泛应用。

该研究于2019年2月1日,以题为“Fully Printed Infrared Photodetectors from PbS Nanocrystals with Perovskite Ligands”的论文发表于ACS Nano。

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