นักวิจัยได้เพิ่มความไวและความเร็วของเครื่องตรวจจับแสง perovskite แบบกึ่ง 2D อย่างมีนัยสำคัญโดยการปรับปฏิสัมพันธ์กับโครงสร้างนาโนพลาสโมนิกเงินอย่างระมัดระวัง ตามผลการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในปี 2556 เล็ก–
การศึกษา: การเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับด้วยแสงผ่านการมีเพศสัมพันธ์พลาสโมนิกในแถบนาโนเพอร์รอฟสไกต์ผสมของ Ruddlesden-Popper quasi-2D แหล่งที่มาของรูปภาพ: Foto-Ruhrgebiet/Shutterstock.com
เมทัลฮาไลด์เพอรอฟสกี้มีความน่าสนใจสำหรับการใช้งานในเครื่องตรวจจับแสงประสิทธิภาพสูงที่มีต้นทุนต่ำ แต่ประสิทธิภาพของพวกมันมักถูกจำกัดด้วยการรวบรวมแสงและประสิทธิภาพในการแปลงสภาพ
กลยุทธ์หนึ่งคือการรวมพวกมันเข้ากับโครงสร้างนาโนของโลหะพลาสโมนิกที่รองรับพลาสมอนพื้นผิวและการเรโซแนนซ์พลาสมอนพื้นผิวที่มีการแปล (LSPR)
เสียงสะท้อนเหล่านี้จะจำกัดแสงให้อยู่ในปริมาตรที่น้อยมาก และสร้างสนามไฟฟ้าเฉพาะที่ที่มีความเข้มข้นใกล้กับพื้นผิวโลหะ สิ่งนี้สามารถเพิ่มการดูดกลืนแสงในเพอร์รอฟสไกต์ใกล้เคียง ในขณะที่การสลายตัวของพลาสมอนสามารถขับเคลื่อนการฉีดอิเล็กตรอนร้อน (HEI) และกระบวนการถ่ายโอนพลังงานที่ไม่แผ่รังสี เช่น การถ่ายโอนพลังงานเรโซแนนซ์ที่เกิดจากพลาสมอน (PIRET)
อย่างไรก็ตาม ประโยชน์ที่ได้ขึ้นอยู่กับว่าพลาสมอนจับคู่กับ excitons ในเพอร์รอฟสไกต์ได้แรงเพียงใด และคุณภาพของส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุทั้งสอง
ดูรายละเอียดทั้งหมด: ดาวน์โหลด PDF ที่นี่!
Quasi-2D nanostrips บนอาร์เรย์ของโครงสร้างนาโนเงิน
ทีมงานได้ศึกษาแถบนาโนของ perovskite แบบกึ่ง 2D Ruddlesden-Popper ที่มีองค์ประกอบ (C12ชม27ยังไม่มี)2(แม่)n-1(ปบี)เอ็น(บรา)3n+1– แถบนาโนที่เตรียมโดยการฉีดคอลลอยด์ร้อน มีความยาว 1 ถึง 7 µm และกว้าง 12 ถึง 250 nm
ในการสร้างอุปกรณ์ดังกล่าว นักวิจัยได้ใช้การพิมพ์หินคอลลอยด์เพื่อสร้างอาร์เรย์โครงสร้างนาโนเงิน (ANA) ที่เรียงกันเป็นหกเหลี่ยมระหว่างขั้วไฟฟ้า Ag ที่มีรูพรุน
จากนั้นชั้นโมโนเลเยอร์ที่ประกอบเองด้วย octadecanethiol (ODT) ก็ถูกวางลงบน ANA และแถบนาโนของ perovskite ก็ถูกวางอยู่ด้านบนเพื่อทำให้เครื่องตรวจจับแสงแบบไฮบริดสมบูรณ์
การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ยืนยันเฟสของ Ruddlesden-Popper แบบผสมที่มีการสะท้อนคล้ายกับ MAPbBr3 จำนวนมาก การวัดด้วยแสงแสดงให้เห็นโฟโตลูมิเนสเซนซ์ที่แข็งแกร่งใกล้กับ 524 นาโนเมตร ในขณะที่การจำลององค์ประกอบไฟไนต์และสเปกตรัมการสะท้อนแสงจะระบุโหมด LSPR ใน ANA ใกล้ 525 นาโนเมตร
การทับซ้อนกันอย่างใกล้ชิดของสเปกตรัม LSPR และคุณสมบัติ excitonic นี้เป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงโฟโตปัจจุบัน
โฟโตลูมิเนสเซนซ์แบบแก้ไขเวลา (TRPL) เผยอายุการใช้งานเฉลี่ยของแถบนาโนในสารละลาย (ตื่นเต้นที่ 375 นาโนเมตร) ที่ 9.6 นาโนเมตร และยังใช้ที่ 442 นาโนเมตรเพื่อศึกษาการมีเพศสัมพันธ์ของเอ็กซิตัน-พลาสโมนในแถบนาโนที่สะสมอยู่บนพื้นผิวต่างๆ
การมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งและอ่อนแอ
เมื่อวางแถบนาโน perovskite บน ANA เปลือยโดยตรง ระบบจะเข้าสู่โหมดการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง โดยมีการแยก Rabi ที่โดดเด่นในสเปกตรัม แม้จะมีการมีเพศสัมพันธ์ที่ดีอย่างเห็นได้ชัด แต่ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ก็ลดลงจริง ๆ : กระแสโฟโตอิเล็กทริกที่ไฟส่องสว่างลดลง
ผู้เขียนเชื่อมโยงสิ่งนี้กับปฏิกิริยาการประสานระหว่างซิลเวอร์และเพอร์รอฟสไกต์ เช่น การก่อตัวของ AgBr เนื่องจากการอพยพของเฮไลด์ รวมถึงความร้อนในท้องถิ่นที่เกิดจาก LSPR ผลกระทบทั้งสองส่งเสริมการรวมตัวกันอีกครั้งโดยไม่มีรังสี ซึ่งจะทำให้วัสดุออกฤทธิ์เสื่อมคุณภาพ
การเปิดตัวชั้นเดียว ODT ที่ประกอบเองระหว่าง ANA และแถบนาโนทำให้ภาพเปลี่ยนไป
ชั้นอินทรีย์บางๆ เพิ่มการแยกตัวและผ่านกระบวนการทางเคมีของส่วนต่อประสาน ทำให้ระบบเปลี่ยนไปใช้โหมดการเชื่อมต่อแบบอ่อนถึงระดับกลาง การแยก Rabi หายไป แต่ปฏิสัมพันธ์ของ exciton-plasmon ยังคงแข็งแกร่งพอที่จะรับประกันการถ่ายโอนพลังงานเรโซแนนซ์ที่มีประสิทธิภาพ
ในการกำหนดค่านี้ โฟโตปัจจุบันที่ได้รับการปรับปรุงมีสาเหตุหลักมาจากการถ่ายโอนพลังงานเรโซแนนซ์และ PIRET มากกว่าการฉีดอิเล็กตรอนร้อนหรือการปรับปรุงสนามระยะใกล้แบบธรรมดา
เพิ่มประสิทธิภาพ
ผลกระทบต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์มีความสำคัญ เครื่องตรวจจับแสงที่ใช้แถบนาโนเพอร์รอฟสไกต์บน ANA ที่รองรับฟังก์ชัน ODT แสดงการปรับปรุงกระแสแสงสูงสุดที่ 838% เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์อ้างอิงที่ไม่มี ANA
เมื่อใช้ไฟส่องสว่างต่ำ อุปกรณ์ไฮบริดจะมีความไวแสง 70.41 mA W-1ประมาณลำดับความสำคัญที่สูงกว่าค่าอ้างอิง ความสามารถในการตรวจจับจำเพาะเพิ่มขึ้นเป็น 1.48 × 1011 โจนส์ ในขณะที่ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกสูงถึง 21.55%
อุปกรณ์ยังเร็วขึ้นอีกด้วย เวลาที่เพิ่มขึ้นเพิ่มขึ้นจากประมาณ 1.29 เป็น 0.35 วินาที และเวลาการตกดีขึ้นจาก 1.95 เป็น 0.44 วินาที แบนด์วิดท์ 3 dB เพิ่มขึ้นกว่าสองเท่า จากประมาณ 0.7 Hz สำหรับอุปกรณ์อ้างอิงถึง 1.5 Hz สำหรับอุปกรณ์ไฮบริด ODT/ANA
ผู้เขียนตั้งข้อสังเกตว่าอัตราขยายจะลดลงเมื่อกำลังส่องสว่างสูงขึ้น เนื่องจากความร้อนที่เกิดจาก LSPR จะเพิ่มการรวมตัวกันอีกครั้งโดยไม่ใช้รังสี และเร่งการย่อยสลายเฉพาะที่
สิ่งนี้เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการสร้างสมดุลของพลาสโมนิคที่ได้รับกับการจัดการความร้อนและความเสถียรของพื้นผิว
กรอบการทำงานสำหรับเครื่องตรวจจับแสงแบบไฮบริด
โดยรวมแล้ว การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการปรับการมีเพศสัมพันธ์ของพลาสโมน-exciton โดยใช้ monolayer อินทรีย์แบบง่ายสามารถปรับปรุงทั้งความไวและความเร็วของเครื่องตรวจจับแสง perovskite กึ่ง 2D ได้อย่างมาก ในขณะที่หลีกเลี่ยงความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับการสัมผัสโลหะโดยตรง
การศึกษายังนำเสนอการออกแบบเชิงปฏิบัติของอุปกรณ์พลาสโมน-เพอร์รอฟสไกต์แบบไฮบริดที่ประดิษฐ์ขึ้นโดยวิธีการปรับขนาดได้และต้นทุนต่ำ เช่น การพิมพ์หินคอลลอยด์
การอ้างอิงนิตยสาร
มาเฮ่ เอสบี และคณะ (2025) การปรับปรุงการตรวจจับด้วยแสงผ่านการเชื่อมต่อพลาสโมนิกใน Ruddlesden-Popper Mixed Quasi-2D Perovskite Nanostrips เล็ก e09443. ดอย: 10.1002/smll.202509443