膠體量子點(QD)/石墨烯納米雜化異質(zhì)結(jié)構(gòu)為量子傳感器提供了一種有前途的方案，因為它們利用了量子點中的強量子限制，具有增強的光-物質(zhì)相互作用、光譜可調(diào)性、抑制的聲子散射和室溫下石墨烯中非凡的電荷遷移率。在這里，我們報告了一個靈活的，九通道的 PbS 量子點/石墨烯納米混合成像陣列在聚對苯二甲酸乙二酯上的開發(fā)，使用了一個簡單的工藝，用于器件制造，信號采集和處理。PbS 量子點/石墨烯成像陣列具有高度均勻的光響應(yīng)特性。在1.0 V 偏置下，400-1000nm 入射光[紫外-可見-近紅外(UV-vis-NIR)]的最高響應(yīng)度為9.56 × 10
3-3.24 × 10
3A/W，功率為900pW。此外，該陣列具有一致的光譜響應(yīng)，彎曲到幾毫米的曲率半徑。在紫外-可見-近紅外(UV-vis-NIR)范圍內(nèi)的寬波長成像表明，量子點/石墨烯納米雜化體為柔性光探測器和成像器提供了一種可行的方法。
圖1.(a-c)九通道 PbS 量子點/石墨烯傳感器陣列的器件制作方法。(b)石墨烯通道上的 PbS QD 涂層; 以及(c) MPA 配體交換。(d，e)是分別在剛性硅和柔性 PET 襯底上制作的9通道 PbS 量子點/石墨烯傳感器陣列的示意圖。(f)用短鏈導(dǎo)電 MPA 配體封裝 PbS 量子點以促進從量子點到石墨烯的電荷轉(zhuǎn)移的替換長鏈絕緣 OLA 和 OA 配體的示意圖。(g)九通道 PbS 量子點/石墨烯傳感器陣列中像素的結(jié)構(gòu)示意圖和 PbS 量子點/石墨烯界面上的內(nèi)置電場。(h)使用 Arduino 讀出器在九通道 PbS 量子點/石墨烯光電探測器陣列上進行傳輸成像的光學(xué)設(shè)置。
圖2。(a)在量子點沉積之前，在九通道 PbS 量子點/石墨烯傳感器陣列上的石墨烯或“ Gr”通道的光學(xué)圖像。(b)石墨烯/Si 和 Si 之間邊界處的 G 峰(左上)和2D 峰(右上)的拉曼圖，以及石墨烯上隨機選擇的點的拉曼光譜。單層石墨烯的 I
2D/I
G > 2。(c)在1200nm 附近顯示吸收峰的 PbS 量子密度吸收光譜。插圖顯示了 PbS 量子點的 TEM 圖像，表明了 PbS 量子點的大小和均勻性。(d) PbS 量子點直徑大小的分布。(e) PbS 量子點的高分辨透射電鏡圖像。條紋間距約為0.3 nm，相當(dāng)于 PbS 的(200)晶格面。
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圖3。(a)在硅襯底上的九通道 PbS 量子點/石墨烯傳感器陣列上的選定像素在制作后的少數(shù)選定次數(shù)上的動態(tài)光響應(yīng)。入射光功率為230nW，波長為500nm。整個像素的偏置電壓為1.0 V (b)三個光開/關(guān)周期，顯示重現(xiàn)性以及上升和下降時間定義。(c)相同的九通道 PbS 量子點/石墨烯傳感器陣列對400-1000nm 范圍內(nèi)幾個選定波長的入射光功率的光響應(yīng)性。(d)相同的九通道 PbS QD/石墨烯傳感器陣列對入射光功率為900pW 和偏置電壓為1.0 V 的波長的檢測率顯示相同的九通道 PbSQD/石墨烯傳感器陣列對入射光功率為900pW 和波長為500nm 的偏置電壓的歸一化響應(yīng)性。數(shù)據(jù)在6783A/W 的1V 響應(yīng)下進行了歸一化處理。
圖4。(a)硅基板上的九通道 PbS QD/石墨烯傳感器陣列對2.5 μW 的入射光功率和1V 的偏置電壓的波長和通道(像素)的響應(yīng)度(b)在500nm 的波長下9個像素的歸一化響應(yīng)度。(c)在黑暗中使用帶有“ X”的陰影掩模顯示五個中心通道和四個角通道的透射成像示意圖。(d)使用(b)中的歸一化方法對9個像素進行歸一化響應(yīng)，顯示“ X”陰影掩模成像的結(jié)果。
圖5。(a)顯示陰影掩模位置的圖像掃描系統(tǒng)，透過線性致動器水平和垂直掃描，以取得安裝在“樣本”位置的九通道 PbSQD/石墨烯傳感器陣列上的傳輸圖像。(b)透過光束掃描以在陣列上產(chǎn)生傳輸圖像的陰影掩模的光學(xué)圖像。(c-e)通過在(c)400，(d)500和(e)1000nm 的波長的襯底上的九通道 PbS QD/石墨烯傳感器陣列獲得的圖像。
圖6。(a)在 PET 基板上安裝在彎曲虎鉗上的九通道 PbS QD/石墨烯傳感器陣列。轉(zhuǎn)動圖中所示的螺絲，將虎鉗的兩邊連接在一起產(chǎn)生彎曲。(b) PET 陣列對幾個選定波長的入射光功率的歸一化響應(yīng)率和1V 的偏置電壓(c)柔性 PET 陣列的響應(yīng)率作為入射光波長的函數(shù)以及剛性 Si 陣列，兩者都在400nm 處歸一化以進行比較。在這種情況下，入射光功率約為120nW，偏置電壓為1 V (d)對于具有500nm 照明的 PET 陣列，響應(yīng)率與曲率半徑之比。這種情況下的光功率為2.5 μW，偏置電壓為1 V。 插圖展示了在彎曲條件下的陣列，并用500nm 光照明。
圖7.在 PET 上分別以(a)400，(b)500和(c)1000nm 的波長用9通道 PbS QD/石墨烯混合傳感器陣列拍攝的圖像。
圖8.在 PET 上用9通道 PbS QD/石墨烯混合傳感器陣列拍攝的圖像，陣列(a)平坦，(b)彎曲半徑為5厘米。
相關(guān)科研成果由堪薩斯大學(xué)Andrew Shultz、Bo Liu和Judy Z. Wu等人于2022年發(fā)表在ACS Applied Nano Materials（https://doi.org/10.1021/acsanm.2c03839）上。原文：Development of Broadband PbS Quantum Dot/Graphene Photodetector Arrays with High-Speed Readout Circuits for Flexible Imagers。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
