INFRARED PHOTODETECTORS BASED ON QUANTICOS POINTS AND 2D MATERIALS OF LOW COST AND HIGH PERFORMANCE (Q3206954)

LA CAPACIDAD DE DETECCION DE LUZ (FOTODETECCION) INFRARROJA ES FUNDAMENTAL EN MULTITUD DE CAMPOS DE APLICACION, DESDE LA MONITORIZACION DEL MEDIO AMBIENTE, PASANDO POR LA INSPECCION DE CALIDAD ALIMENTARIA, LA MONITORIZACION DE PROCESOS O EL DESARROLLO DE SENSORES MEDICOS, HASTA DIVERSAS APLICACIONES DE OBTENCION DE IMAGEN (VISION NOCTURNA, IMAGENES EN CONDICIONES ADVERSAS, IMAGENES HIPERESPECTRALES, ETC.). DE ESTOS CAMPOS DERIVAN APLICACIONES DE IMPLEMENTACION INMEDIATA EN LAS INDUSTRIAS DE AUTOMOCION (CONDUCCION AUTONOMA O ASISTIDA), DE SELECCION DE COMIDA Y MANUFACTURERA, AGRICOLA O DE INSPECCION DE SEGURIDAD; POR NOMBRAR ALGUNAS DE ELLAS. POR EL MOMENTO, DICHOS CAMPOS DE APLICACION SE ESTAN EXPLOTANDO SOLO DE FORMA MUY LIMITADA. LA CAUSA DE ESTO ES LA AUSENCIA DE UNA TECNOLOGIA DE FOTODETECCION QUE DE LUGAR A DISPOSITIVOS EFICIENTES, BARATOS Y CON BAJO IMPACTO AMBIENTAL; LOS CUALES PUEDAN SER, ADEMAS, INTEGRADOS EN PRODUCTOS DE ELECTRONICA DE CONSUMO PORTATILES. INCLUSO EN EL INFRARROJO CERCANO (900 ¿ 1700 NM) LOS FOTODETECTORES ESTAN BASADOS EN MATERIALES EXOTICOS III-V, QUE RESULTAN MUY CAROS DE FABRICAR Y SON DIFICILMENTE HIBRIDABLES CON LA TECNOLOGIA CMOS. POR SU PARTE, LOS FOTODETECTORES DE INFRARROJO MEDIO Y LEJANO SON AUN MAS CAROS Y REQUIEREN SER ENFRIADOS EN ARAS DE SER SENSIBLES Y ESTABLES._x000D_ INFRADET TIENE POR OBJETIVO DESARROLLAR UNA NUEVA GENERACION DE FOTODETECTORES BASADOS EN MATERIALES DE BAJO COSTE, TOTALMENTE COMPATIBLES CON LA ELECTRONICA CMOS Y QUE PRESENTEN MAYORES RENDIMIENTOS EN TERMINOS DE SENSIBILIDAD, INCLUSO A TEMPERATURA AMBIENTE O CERCANA A LA TEMPERATURA AMBIENTE. PARA LLEVAR A CABO ESTE RETO, INFRADET APROVECHARA LA SINERGIA DE DOS CLASES DE MATERIALES CON PROPIEDADES UNICAS: MATERIALES 2D Y PUNTOS CUANTICOS COLOIDALES. SE HAN SELECCIONADO LOS MATERIALES 2D POR SU MUY ALTA MOVILIDAD, SU MUY BAJA MASA TERMICA Y PORQUE SU CARACTER BIDIMENSIONAL PERMITE MODULAR SU CONDUCTIVIDAD DE FORMA EXTREMADAMENTE EFICIENTE MEDIANTE DE ELECTRO- O DE FOTO- CONMUTACION. POR SU PARTE, LOS PUNTOS CUANTICOS COLOIDALES PRESENTAN UNA FUERTE ABSORCION DE LUZ, LA CUAL PUEDE SER SINTONIZADA MEDIANTE EL CONTROL PRECISO DEL TAMAÑO DE ESTOS NANOCRISTALES. AUN MAS IMPORTANTE ES EL HECHO DE QUE SON MATERIALES FABRICADOS EN SOLUCION Y, POR TANTO, SU PRODUCCION PUEDE SER DE MUY BAJO COSTE Y ALTO RENDIMIENTO. EN ESTE PROYECTO, TIENE ESPECIAL INTERES EL DESARROLLO DE PUNTOS CUANTICOS COLOIDALES QUE ABSORBAN LUZ EN EL INFRARROJO MEDIO Y LEJANO, YA SEA ELIGIENDO MATERIALES DE BAJA BANDA PROHIBIDA (BANDGAP) O EXPLOTANDO LAS TRANSICIONES INTERSUB-BANDA EN PUNTOS CUANTICOS COLOIDALES ALTAMENTE DOPADOS. LA FUNCION DE ESTOS MATERIALES ES AUMENTAR LA SENSIBILIDAD DE TRANSISTORES HECHOS CON MATERIALES 2D; ACTUAN, POR TANTO, COMO SENSIBILIZADOR. EN ESTA NUEVA CLASE DE FOTODETECTORES, LAS PROPIEDADES ELECTRONICAS ESTAN GOBERNADAS POR EL ALTO BANDGAP DE LOS MATERIALES 2D, MIENTRAS QUE LA SENSIBILIDAD OPTICA ESTA GOBERNADA POR EL BANDGAP OPTICO DE LOS PUNTOS CUANTICOS. ESTO SE TRADUCE EN UNA OPORTUNIDAD UNICA DE ALCANZAR UNA MUY ALTA GANANCIA FOTOCONDUCTIVA A LA PAR QUE UNA CORRIENTE DE OSCURIDAD Y, POR ENDE, RUIDO, MUY BAJOS. ESTOS PRINCIPIOS SERAN LA BASE DEL DISEÑO DE LOS MATERIALES Y ARQUITECTURAS QUE IMPLEMENTARAN LOS FOTODETECTORES CONCEBIDOS. (Spanish)

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PHOTODETECTION OF INFRARED LIGHT IS OF PARAMOUNT IMPORTANCE FOR A HUGE NUMBER OF MODALITIES INCLUDING ENVIRONMENTAL MONITORING, FOOD QUALITY INSPECTION, PROCESS MONITORING, BIOMEDICAL SENSING AS WELL AS IMAGING APPLICATIONS (NIGHT VISION, IMAGING IN ADVERSE CONDITIONS, HYPERSPECTRAL IMAGING ETC.). SUCH MODALITIES HAVE IMMEDIATE APPLICATIONS IN AUTOMOTIVE INDUSTRY FOR AUTONOMOUS OR ASSISTED DRIVING SYSTEMS, FOOD SORTING AND MANUFACTURING INDUSTRIES, FARMING, SECURITY INSPECTION, JUST TO NAME A FEW. AT THE MOMENT SUCH MODALITIES ARE USED AT A VERY LIMITED EXTENT AND THE REASON IS THE LACK OF PHOTODETECTOR TECHNOLOGY THAT CAN PROVIDE FOR LOW COST, HIGH PERFORMANCE AND SMALL FOOTPRINT PHOTODETECTORS THAT CAN BE ACCOMMODATED IN PORTABLE AND CONSUMER ELECTRONICS PRODUCTS. EVEN FOR THE SHORT WAVE INFRARED (900 ¿ 1700 NM) THE PHOTODETECTORS ARE BASED ON EXOTIC III-V SEMICONDUCTORS THAT ARE NOT CMOS COMPATIBLE AND VERY EXPENSIVE TO GROW AND HYBRIDIZE WITH CMOS ELECTRONICS. WHEREAS PHOTODETECTORS FOR EVEN LONGER WAVELENGTHS IN THE MID AND LONG WAVE INFRARED ARE EVEN MORE EXPENSIVE AND REQUIRE COOLING FOR SENSITIVE OPERATION AND STABILITY._x000D_ INFRADET¿S AIM IS TO DEVELOP A NEW GENERATION OF PHOTODETECTORS THAT ARE BASED ON LOW COST MATERIALS, THAT ARE FULLY COMPATIBLE AND INTEGRABLE WITH CMOS ELECTRONICS AND THAT DELIVER SUPERIOR PERFORMANCE IN SENSITIVITY EVEN AT ROOM OR NEAR ROOM TEMPERATURE. TO ACHIEVE THIS GRAND CHALLENGE INFRADET WILL MAKE USE OF THE SYNERGY OF TWO CLASSES OF MATERIALS WITH UNIQUE PROPERTIES: 2D MATERIALS AND COLLOIDAL QUANTUM DOTS. 2D MATERIALS HAVE BEEN SELECTED FOR THEIR VERY HIGH MOBILITY, THEIR VERY LOW THERMAL MASS AND BECAUSE THEIR 2-DIMENSIONAL CHARACTER ALLOWS FOR EXTREMELY EFFICIENT MODULATION OF THEIR CONDUCTIVITY THROUGH ELECTRONIC OR PHOTO-GATING EFFECTS. COLLOIDAL QUANTUM DOTS HAVE BEEN CHOSEN AS THEY ARE VERY STRONG ABSORBERS OF LIGHT WITH THE POSSIBILITY TO TUNE THEIR ABSORPTION THROUGH CONTROL OF THE SIZE OF THE NANOCRYSTALS. MOST IMPORTANTLY THESE ARE SOLUTION-PROCESSED MATERIALS AND THEREFORE CAN BE MANUFACTURED AT VERY LOW COST AND WITH VERY HIGH THROUGHPUT. OF PARTICULAR INTEREST IN THIS PROJECT IS THE DEVELOPMENT OF COLLOIDAL QUANTUM DOTS THAT ABSORB LIGHT IN THE MID AND LONG WAVE INFRARED EITHER BY SELECTION OF LOW BANDGAP SEMICONDUCTORS OR VIA EXPLOITATION OF THE INTERSUBBAND TRANSITIONS OF THESE COLLOIDAL QUANTUM DOTS IN THE HEAVY DOPING REGIME. THESE MATERIALS WILL THEN ACT AS SENSITIZERS OF THE 2D MATERIAL TRANSISTORS IN WHICH THE ELECTRONIC PROPERTIES OF THE DETECTOR ARE GOVERNED BY THE HIGH BANDGAP OF THE 2D MATERIALS CHANNEL WHEREAS THE OPTICAL SENSITIVITY OF THE DETECTOR IS DETERMINED BY THE OPTICAL BANDGAP OF THE SENSITIZERS. THIS THEN GIVES RISE TO THE UNIQUE OPPORTUNITY OF REACHING VERY HIGH PHOTOCONDUCTIVE GAIN ALONG WITH THE ACHIEVEMENT OF LOW DARK CURRENT AND THERBY LOW NOISE. THESE PRINCIPLES WILL LAY THE BASIS FOR THE DESIGN OF MATERIALS AND ARCHITECTURES THAT WILL REALIZE THE ENVISIONED PHOTODETECTORS. (English)

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LA CAPACITÉ DE DÉTECTION DE LUMIÈRE INFRAROUGE (FOTODETECTION) EST FONDAMENTALE DANS DE NOMBREUX DOMAINES D’APPLICATION, DE LA SURVEILLANCE DE L’ENVIRONNEMENT À L’INSPECTION DE LA QUALITÉ DES ALIMENTS, AU SUIVI DES PROCESSUS OU AU DÉVELOPPEMENT DE CAPTEURS MÉDICAUX, À DIVERSES APPLICATIONS D’IMAGERIE (VISION NOCTURNE, IMAGES DANS DES CONDITIONS DÉFAVORABLES, IMAGES HYPERSPECTRALES, ETC.). CES DOMAINES SONT DES APPLICATIONS DÉRIVÉES DE LA MISE EN ŒUVRE IMMÉDIATE DANS LES INDUSTRIES DE L’AUTOMOBILE (AUTONOME OU ASSISTÉE), DE LA SÉLECTION ALIMENTAIRE ET DE LA FABRICATION, DE L’AGRICULTURE OU DE L’INSPECTION DE SÉCURITÉ; POUR EN NOMMER QUELQUES-UNS. À L’HEURE ACTUELLE, CES DOMAINES D’APPLICATION NE SONT EXPLOITÉS QUE DANS UNE MESURE TRÈS LIMITÉE. LA RAISON EN EST L’ABSENCE D’UNE TECHNOLOGIE DE PHOTODÉTECTION QUI SE TRADUIT PAR DES DISPOSITIFS EFFICACES, PEU COÛTEUX ET À FAIBLE IMPACT SUR L’ENVIRONNEMENT; QUI PEUVENT ÉGALEMENT ÊTRE INTÉGRÉS DANS DES PRODUITS ÉLECTRONIQUES PORTABLES GRAND PUBLIC. MÊME DANS L’INFRAROUGE PROCHE (900?1700 NM), LES PHOTODÉTECTEURS SONT BASÉS SUR DES MATÉRIAUX EXOTIQUES III-V, TRÈS COÛTEUX À FABRIQUER ET DIFFICILES À UTILISER AVEC LA TECHNOLOGIE CMOS. Pour leur part, les photodétecteurs INFRARROW moyen et lointain sont encore plus chers et ils veulent être frustrés d’être sensibles et stables._x000D_ INFRADET doit développer une nouvelle gestion des photodétecteurs basés sur des matériaux à faible coût, entièrement COMPATIBLE AVEC LA COMMUNAUTÉ Électronique ET QUE ACHETEZ LES PRIX DE SENSIBILITÉ DES TERMES DE SENSIBILITÉ, INCLUS À LA TEMPERATURE ENVIRONNEMENTALE OU cercare TO ENVIRONMENTAL TEMPERATURE. POUR RELEVER CE DÉFI, INFRADET PROFITERA DE LA SYNERGIE DE DEUX TYPES DE MATÉRIAUX AUX PROPRIÉTÉS UNIQUES: MATÉRIAUX 2D ET POINTS QUANTIQUES COLLOÏDALES. LES MATÉRIAUX 2D ONT ÉTÉ SÉLECTIONNÉS POUR LEUR TRÈS GRANDE MOBILITÉ, LEUR TRÈS FAIBLE MASSE THERMIQUE ET PARCE QUE LEUR CARACTÈRE BIDIMENSIONNEL PERMET DE MODULER LEUR CONDUCTIVITÉ D’UNE MANIÈRE EXTRÊMEMENT EFFICACE PAR ELECTRO- OU PHOTO-MUTATION. D’AUTRE PART, LES POINTS QUANTIQUES COLLOÏDAUX PRÉSENTENT UNE FORTE ABSORPTION DE LA LUMIÈRE, QUI PEUT ÊTRE RÉGLÉE PAR UN CONTRÔLE PRÉCIS DE LA TAILLE DE CES NANOCRISTAL. PLUS IMPORTANT ENCORE EST LE FAIT QU’IL S’AGIT DE MATÉRIAUX FABRIQUÉS EN SOLUTION ET, PAR CONSÉQUENT, LEUR PRODUCTION PEUT ÊTRE DE TRÈS FAIBLE COÛT ET HAUTE PERFORMANCE. DANS CE PROJET, UN INTÉRÊT PARTICULIER EST LE DÉVELOPPEMENT DE POINTS QUANTIQUES COLLOÏDAUX QUI ABSORBENT LA LUMIÈRE DANS L’INFRAROUGE MOYEN ET LOINTAIN, SOIT EN CHOISISSANT DES MATÉRIAUX INTERDITS À BASSE BANDE (BANDGAP) OU EN EXPLOITANT DES TRANSITIONS EN BANDE INTERSUB EN POINTS COLLOÏDALES HAUTEMENT DOPÉS. LA FONCTION DE CES MATÉRIAUX EST D’AUGMENTER LA SENSIBILITÉ DES TRANSISTORS FABRIQUÉS AVEC DES MATÉRIAUX 2D; ILS AGISSENT DONC COMME SENSIBILISANTS. DANS CETTE NOUVELLE CLASSE DE PHOTODÉTECTEURS, LES PROPRIÉTÉS ÉLECTRONIQUES SONT RÉGIES PAR L’ÉCART DE BANDE ÉLEVÉ DES MATÉRIAUX 2D, TANDIS QUE LA SENSIBILITÉ OPTIQUE EST RÉGIE PAR LE BANDGAP OPTIONNEL DES POINTS QUANTIQUES. CELA SE TRADUIT PAR UNE OCCASION UNIQUE D’OBTENIR UN GAIN PHOTOCONDUCTEUR TRÈS ÉLEVÉ EN MÊME TEMPS QU’UN COURANT D’OBSCURITÉ ET, PAR CONSÉQUENT, DE BRUIT, TRÈS FAIBLE. CES PRINCIPES SERVIRONT DE BASE À LA CONCEPTION DES MATÉRIAUX ET DES ARCHITECTURES QUI SERONT MIS EN ŒUVRE PAR LES PHOTODÉTECTEURS CONÇUS. (French)

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5 December 2021

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TEC2017-88655-R

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