Solution Processable PbS QD-solid Photodetectors for telecommunication application

La detección óptica y la conversión de luz en electricidad (conversión fotovoltaica), en la que los dispositivos optoelectrónicos encuentran su campo de aplicación más importante, han sido importantes campo de aplicación durante décadas de los semiconductores monocristalinos como materiales fotoactivos (absorción de luz y fotogeneración de portadores). Su éxito se debe a los excelentes resultados alcanzados, aunque viene acompañado de inconvenientes, como el elevado coste de producción, la complejidad de fabricación y su incompatibilidad con substratos flexibles. Durante la última década, el advenimiento de los materiales optoelectrónicos procesados en disolución, como los puntos cuánticos (QDs) coloidales, ha abierto nuevas posibilidades para aplicaciones optoelectrónicas. Este nuevo enfoque aplicado al desarrollo de detectores ópticos reside en el alto grado de control que ofrece la ingeniería de materiales a la nanoescala. Además, la procesabilidad de dichos nanomateriales ha permitido su integración en muchos tipos de substratos comerciales de bajo coste, en algunos casos logrando fotodispositivos con figuras de mérito comparables a las de los fotodetectores convencionales. Por ejemplo, en el grupo del Prof. Edward H. Sargent (Universidad de Toronto, Canadá) han medido detectividades de hasta 1013 jones en la segunda ventana de telecomunicaciones (1.3 μm) en fotodetectores basados en QDs de Pbs, un orden de magnitud mayor que la detectividad lograda en fotodetectores basados en películas delgadas de InGaAs crecidas epitaxialmente. En esta tesis hemos pretendido y conseguido desarrollar fotodetectores basados en QDs de PbS estables en aire y procesados en disolución, con una alta sensibilidad en longitudes de onda del infrarrojo próximo (hasta unos 1600 nm), esto es, útiles para la detección óptica en la tercera ventana de telecomunicaciones. Para conseguir este objetivo principal, primero se ha dedicado el esfuerzo necesario para optimizar la síntesis química de los QDs de PbS con el tamaño adecuado para obtener su borde de absorción en las longitudes de onda señaladas, como base para la producción de películas delgadas con un enfoque ascendente (bottom-up). En segundo lugar, hemos conseguido “nanotintas” estables en aire con estos QDs de PbS, adecuadamente formuladas para su compatibilidad (propiedades reológicas adecuadas) con un método eficiente de deposición en área extensa, que permita la formación de una película delgada de QDs de PbS libre de defectos estructurales (ligados al apilamiento vertical de los QDs, que no son más que nanocristales aproximadamente esféricos de unos 6-7 nm de diámetro). La técnica de deposición elegida ha sido “doctor blading”, donde una cuchilla extiende la nanotinta sobre un substrato dado, en nuestro caso vidrio/ITO (ITO: Indium Tin Oxide) o Si/SiO2, para la fabricación de fotodiodos y fotoconductores, respectivamente. También hemos estudiado la influencia de la química superficial de los QDs de PbS en las propiedades de las películas delgadas producidas con éstos y los dispositivos fabricados con estas capas. De hecho, el paso clave en la formación de películas conductoras con QDs de PbS es el procedimiento de intercambio de ligandos en estado sólido, en el que se reemplazan las moléculas largas (Oleilamina) utilizadas para la síntesis de los QDs de PbS con otras más cortas, con el fin de reducir la distancia entre los QDs, lo que aumentaría la movilidad de los portadores en el sólido de QDs resultante debido a un fuerte acoplamiento electrónico. Específicamente, hemos utilizado el ácido 3-Mercapto-Propiónico (MPA) y el Ioduro de Tetra-butil-amonio (TBAI), lo que ciertamente influye en la superficie de los QDs de PbS y en el rendimiento de los fotodetectores basados en PbS. Encontramos que, en ambos casos, el mecanismo responsable de la fotoconductividad está relacionado con la sensibilización de sólido de QDs por trampas, origen de la alta responsividad observada y la lenta respuesta temporal de los dispositivos fotoconductores. Se ha identificado la importante influencia de los niveles de trampas sobre la dinámica de los portadores y la eficiencia final del dispositivo, además de evidenciar el compromiso entre la velocidad del dispositivo y la alta responsividad de los dispositivos fotoconductores. El intercambio de ligandos en el sólido de QDs con MPA, mientras pasiva eficazmente su superficie, produce un rendimiento superior del dispositivo (mayor foto-sensibilidad y detectividad), lo cual se debe a una menor corriente oscura y menor nivel de ruido en comparación con el caso de los sólidos de QDs tratados con TBAI. Además, el intercambio de ligandos con MPA confiere una excelente estabilidad en aire a los sólidos de QDs, reduciendo la oxidación del PbS, como se deduce de medidas de XPS. Sobre la base de estos hallazgos, finalmente hemos desarrollado un fotodetector estable en aire y altamente sensible (1011 Jones), basado en un fotodiodo de arquitectura Schottky con una eficiencia cuántica interna superior al 30% a 1500 nm y con una respuesta temporal de unos 135 s.

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