Принцип работы фотоприемника: Фотоприемник и его особенности. Простая схема включения

Содержание

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов
Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:
  • Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
  • Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
  • Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток.  Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

Применение

Фотоэлементы на практике применяются по общей схеме. На входе может быть любой элемент: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор. Они реагируют на световой поток. Сигнал усиливается и подается в исполнительную цепь.

Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:
  • По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
  • Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
  • Их используют для измерения площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.
  • На станке для плазменной резки металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
  • В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.
  • На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
  • В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
  • Звук в кино записывается на звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.
  • Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
  • Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.
Похожие темы:

Тематические статьи по фотонике

Детекторы от компании Thorlabs

Фотодиоды

Принцип работы

Фотодиод – быстродействующее линейное устройство, которое обладает высокой квантовой эффективностью, и генерирует фототок, когда свет поглощается в обедненной области полупроводникового перехода. На рис. 1 представлена эквивалентная схема, отражающая принцип работы фотодиода.


Рис.1 Эквивалентная схема фотодиода

Уровень выходного тока фотодиода определяется по формуле: 

Основные понятия

Чувствительность фотодиода определяется как отношение генерируемого фототока (IPD) к мощности (P) падающего излучения на заданной длине волны.


Режимы работы (Фотодиодный и Фотогальванический)

Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогальваническом (без внещнего источника эдс) и фотодиодном (с подачей на p- n- переход обратного смещения от внешнего источника эдс). Выбор режима работы зависит от требований к быстродействию и допустимого значения темнового тока (ток обратно смещенного p-n перехода)

Фотодиодный режим

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении (фотодетекторы DET серии от компании Thorlabs). При этом через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающей мощности излучения. Приложение напряжения обратного смещения расширяет обедненный слой, что приводит к уменьшению емкости перехода и обеспечивает линейность отклика. Работа в фотодиодном режиме характеризуется большими значениями темнового тока. Его величина зависит от материала полупроводника.

Фотогальванический режим

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания (напряжение обратного смещения отсутствует). Принцип действия фотодиода в этом режиме основан на фотогальваническом эффекте. В таком режиме он может работать в качестве датчика или в качестве элемента питания (солнечной батареи). В фотогальваническом режиме темнового тока принимает минимальные значения.

Темновой ток

Темновой ток – это ток утечки, который растет при увеличении напряжения обратного смещения. При работе в фотодиодном режиме наблюдаются более высокие значения темнового тока, которые зависят от температуры окружающей среды. При увеличении температуры на 10 °C величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза, а шунтирующее сопротивление удваивается при увеличении температуры на 6 °C. Чем выше напряжение смещения, тем меньше емкость перехода, но тем больше величина темнового тока.

Темновой ток также зависит от материала полупроводника и размера активной области. Например, у кремниевых фотодиодов значения темнового тока значительно ниже, чем у германиевых. В таблице ниже представлены различные полупроводниковые материалы и их относительные значения темнового тока, чувствительности, быстродействия и стоимости.

Материал

Темновой ток

Быстродействие

Спектральный диапазон

Стоимость

Кремний (Si)

Низкий

Высокое

Видимый – Ближний ИК

Низкая

Германий (Ge)

Высокий

Низкое

Ближний ИК

Низкая

Фосфид галлия (GaP)

Низкий

Высокое

УФ — Видимый

Средняя

Арсенид галлия-индия (InGaAs)

Низкий

Высокое

Ближний ИК

Средняя

Антимонид арсенида индия (InAsSb)

Высокий

Низкое

Ближний – Средний ИК

Высокая

Кадмий-ртуть-теллур (MCT, HgCdTe)

Высокий

Низкое

Ближний – Средний ИК

Высокая

Емкость перехода

Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода и имеет большое влияние на быстродействие и ширину полосы пропускания фотоприемника. Следует отметить, что емкость p-n перехода зависит от его площади и ширины (она тем больше, чем больше площадь перехода). Приложение напряжения обратного смещения приводит к увеличению ширины обедненного слоя, и таким образом к уменьшению емкости и росту быстродействия.

Ширина полосы пропускания и отклик

Нагрузочное сопротивление (RLOAD) и емкость перехода влияют на частотную характеристику фотодетектора. Ширину полосы пропускания (fBW) и время нарастания (tr) можно оценить по формулам:


Эквивалентная мощность шума (NEP)

Эквивалентная мощность шума (NEP) это среднеквадратическое значение генерируемого напряжения, когда отношение сигнал/шум равно единице. Данная величина характеризует способность детектора регистрировать слабые световые сигналы. Эквивалентная мощность шума возрастает при увеличении площади активной области и определяется по формуле:


, где S/N – отношение сигнал/шум, Δf — ширина шумовой полосы частот, Incident Energy – энергия светового потока (единицы измерения Вт/см2).

Согласованное нагрузочное сопротивление

Нагрузочное сопротивление используется для преобразования генерируемого фототока в напряжение (VOUT):


В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может повлиять на скорость отклика. Для обеспечения оптимальной ширины полосы пропускания компания Thorlabs рекомендует использовать коаксиальный кабель (50 Ом) с терминатором на 50 Ом. Это минимизирует паразитные затухающие колебания благодаря согласованной нагрузке. Если ширина полосы пропускания не важна, то выходное напряжение можно увеличить путем увеличения нагрузки (RLOAD). При несогласованной нагрузке длина коаксиального кабеля может иметь большое влияние на отклик фотодетектора, поэтому рекомендуется использовать короткий кабель.

Шунтирующее сопротивление

Шунтирующее сопротивление – это сопротивление несмещенного перехода. Идеальный фотодиод будет иметь бесконечное шунтирующее сопротивление, но реальные приборы имеют сопротивление порядка 10 Ом – 1000 МОм, значение которого зависит от материала фотодиода.

Например, InGaAs детекторы обладают шунтирующим сопротивлением порядка 10 МОм, тогда как сопротивление Ge детектора составляет несколько кОм. Это может существенно повлиять на уровень шума, но для большинства приложений высокое сопротивление оказывает незначительное влияние и им можно пренебречь.

Последовательное сопротивление

Последовательное сопротивление определяется сопротивлением полупроводникового материала. Оно пренебрежимо мало, и его влиянием в большинстве случаев можно пренебречь. Последовательное сопротивление возникает благодаря контактам и проводным соединениям фотодиода. В основном оно используется для определения линейности фотодиода при нулевом смещении.

Стандартные схемы детекторов


Рис.2 Схема детекторов с обратно смещенным диодом (детекторы DET серии)

На рис.2 представлена схема, отражающая принцип работы детекторов DET серии с обратно смещенным фотодиодом. Величина генерируемого фототока зависит от светового потока и длины волны излучения. При подключении нагрузочного сопротивления данную величину можно наблюдать с помощью осциллографа. Функция RC-фильтра заключается в подавлении высокочастотного шума источника питания.


Рис.3 Схема детектора с усилителем

При использовании схемы фотоприемников с усилителем пользователь может выбирать режим работы фотодиода (фотогальванический или фотодиодный). Каждый режим обладает своими преимуществами:

— Фотогальванический режим: в фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается напряжение, и потенциал на входе A операционного усилителя равен потенциалу в точке B. При работе в таком режиме темновой ток пренебрежимо мал.

— Фотодиодный режим: в фотодиодном режиме к p-n переходу приложено напряжение обратного смещения, что уменьшает емкость перехода и увеличивает полосу пропускания. Усиление зависит от резистора обратной связи (Rf). Ширина полосы пропускания детектора определяется по формуле:


, где GBP – это произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ, CD – сумма емкости перехода и усилителя.

Частота модуляции

Спектральная плотность шума большинства детекторов, включая PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеет зависимость вида 1/f (шум уменьшается при увеличении частоты), что оказывает значительное влияние на постоянную времени в области низких частот.

Таким образом, частота модуляции (скорость изменения интенсивности) излучения оказывает влияние на чувствительность прибора. Оптимальные значения характеристик фотоприемника достигаются при частоте:

 

Срок службы батареи

При использовании фотодетектора, работающего от батареи, важно понимать, каков срок службы аккумулятора и как он влияет на работу детектора. Выходной ток детектора прямо пропорционален потоку падающего излучения. Большинство пользователей преобразуют этот ток в напряжение с помощью согласованной нагрузки. Величина сопротивления приблизительно равна коэффициенту усиления схемы. Для высокоскоростных детекторов, например, таких как DET08, необходимо использовать нагрузку с сопротивлением 50 Ом для согласованности с импедансом стандартных коаксиальных кабелей. Это позволит уменьшить обратные отражения и улучшить качество выходного сигнала.

Срок службы батареи напрямую зависит от тока в детекторе. Большинство производителей батареек выражают срок службы батарейки в мА*ч (миллиампер-час). Например, если аккумулятор рассчитан на 190 мА*ч, он будет работать в течении 190 ч при потреблении тока 1.0 мА.

Пусть источник, излучение которого падает на детектор, работает на длине волны 780 нм со средней мощностью 1мВт. Чувствительность детектора на данный длине волны 0.5 А/Вт. Фототок можно рассчитать по формуле:


Таким образом срок службы батареи равен:


или 16 дней непрерывной работы. При уменьшении средней мощности падающего излучения до 10 мкВт, срок службы той же батарейки увеличится до 4 лет непрерывной работы. При использовании рекомендуемой согласованной нагрузки в 50 Ом, фототок (0.5 мА) преобразуется в напряжение:Если величина мощности падающего излучения уменьшится до 40 мкВт, то выходное напряжение станет равно 1 мВт. Для некоторых измерительных устройств, данное значение может оказаться слишком маленьким, поэтому необходимо искать компромисс между сроком службы батареи и точностью проводимых измерений.

При использовании детекторов на батарейках необходимо использовать излучение малой интенсивности, учитывая минимально необходимый уровень напряжения. Также важно помнить, что батарейка перестанет производить ток не сразу, как только приблизится к концу срока своей службы. Сначала напряжение батарейки упадет, и электрический потенциал, прикладываемый к фотодиоду уменьшится. А это в свою очередь приведет к увеличению времени отклика детектора и уменьшению ширины полосы пропускания.

Таким образом, важно убедиться, что батарейка обеспечивает достаточное напряжение для оптимальной работы детектора.

Для задач, в которых детекторы DET серии, облучаются непрерывно источником достаточно высокой мощности, или постоянная замена батарей является неприемлемой, компания Thorlabs предлагает адаптер DET1B и источник питания. Недостатком этого варианта является шум, который добавится к выходному сигналу и может увеличить погрешность измерений.

PbS и PbSe детекторы

Детекторы на основе сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe) широко используются для регистрации излучения в диапазоне от 1000 до 4800 нм. Тогда как фотодиод генерируют ток под воздействием света, у фоторезистора при облучении изменяется величина сопротивления. Хотя PbS и PbSe детекторы можно использовать при комнатной температуре, температурные флуктуации будут оказывать воздействие на темновое сопротивление, чувствительность и быстродействие прибора.

Принцип работы

При поглощении света в фотопроводящем материале возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления приведет изменению величина измеряемого напряжения. На рис. представлена схема, отражающая принцип работы детекторов на основе фотопроводящих материалов. Следует отметить, что представленная схема не рекомендуется для применения на практике из-за присутствия низкочастотных шумов.


Механизм детектирования основан на проводимости тонкой пленки светочувствительного элемента. Сигнал на выходе детектора при отсутствии падающего излучения определяется уравнением:


Изменение напряжения на выходе ΔVOUT происходит из-за изменения сопротивления ΔRDark, когда свет попадает на активную область датчика:


Частотная характеристика

Для детекторов зависимость чувствительности от частоты модуляции света имеет вид:


, где fcчастота модуляции, R0 – чувствительность при частоте 0 Гц, τr– время нарастания.

Воздействие температуры

Светочувствительный элемент PbS и PbSe детекторов представляет собой тонкую пленку на стеклянной подложке. Форма и активная область фотопроводящего элемента меняются в зависимости от условий эксплуатации, таким образом изменяя и другие характеристики. В частности, чувствительность детектора будет изменяться в зависимости от рабочей температуры.

Охлаждение детектора сместит спектральный диапазон чувствительности в область более длинных волн. Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать представленные детекторы в условиях контроля параметров окружающей среды.

Схема детектора на основе фотопроводящего материала с усилителем

Из-за шумовых характеристик предпочтительнее включение фоторезистора в цепь переменного тока. При включении фоторезистора в цепь постоянного тока шум, обусловленный приложенным напряжением, будет увеличиваться с ростом напряжения, таким образом, ограничивая чувствительность детектора. Для поддержания стабильности характеристик и получения высоких значений коэффициента усиления сигнала необходимо использовать предусилитель.


Согласно схеме (рис. выше), операционный усилитель (ОУ) стремится сравнять потенциалы в точках A и B с помощью контура обратной связи. Разница напряжений на входе ОУ усиливается и передается на выход. Следует отметить, что высокочастотный фильтр на входе усилителя не пропускает сигнал постоянного тока. Кроме того, нагрузочное сопротивление должно быть равно темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Величина напряжения источника питания (+V) должна быть такой, чтобы величина отношения сигнал/шум была оптимальной и приближалась к единице. Некоторые задачи требуют более высокого уровня напряжения, что приведет к увеличению уровня шума. Напряжение на выходе определяется по формуле:

Отношение сигнал/шум

Поскольку уровень шума детектора обратно пропорционален частоте модуляции сигнала, шум будет возрастать на малых частотах. Сигнал на выходе детектора линейно увеличивается при увеличении напряжения смещения, однако шумовые характеристики мало зависят от напряжения смещения при его низком уровне. При достижении определенного уровня напряжения смещения, шум детектора начнет линейно увеличиваться с ростом напряжения. При высоких значениях напряжения шум начнет расти экспоненциально, уменьшая отношение сигнал шум. Для обеспечения оптимального уровня сигнал/шум необходимо регулировать частоту модуляции сигнала и напряжение смещения.

Темновое сопротивление

Темновое сопротивление – это сопротивление детектора при отсутствии освещения. Следует отметить, что темновое сопротивление будет увеличиваться или уменьшается при изменении температуры. Охлаждение детектора будет снижать величину темнового сопротивления.

Обнаружительная способность (D) и удельная обнаружительная способность (D*)

Обнаружительная способность (D) — это еще одна величина, используемая для оценки эффективности фотоприемника. Обнаружительная способность характеризует чувствительность и обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума (NEP):


Чем выше значение обнаружительной способности, тем выше чувствительность, то есть детектор способен регистрировать слабые сигналы. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающих фотонов.

NEP детектора, а следовательно и его обнаружительная способность зависят от активной области, поэтому сравнение свойств двух детекторов является непростой задачей. Чтобы избавится от этой зависимости, используют удельную обнаружительную способность (D*), которая не зависит от площади детектора и используется для оценки эффективности фотоприемника. В уравнении ниже, А – площадь фоточувствительной области. 

Позиционно-чувствительные детекторы

Двумерные позиционно-чувствительные датчики

Обзор

Двумерные позиционно-чувствительные датчики позволяют измерить положение, расстояние перемещения или углы падения пучка, а также они могут использоваться в качестве обратной связи в системах юстирования, например, для контроля положения зеркал, фокусировки микроскопа, и т. д. Детектор определяет положение светового пятна на основе пропорционального распределения фототока, который генерируется в месте падения светового луча. Существует два типа двумерных позиционно-чувствительных датчиков: с двухсторонним расположением электродов и с четырехсторонним расположением электродов.

Датчики с двухсторонним расположением электродов обладают резистивными слоями, нанесенными с обеих сторон подложки. Датчик имеет четыре вывода. Фототок распределяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входных –координаты X положения пучка.


Датчики с четырехсторонним расположением электродов обладают одним чувствительным резистивным слоем, расположенным с одной стороны подложки. Такие датчики значительно дешевле датчиков с двухсторонним расположением электродов. Однако линейность отклика этих датчиков падает по мере удаления пучка от центра. Это связано с расположением анодов по периметру сенсора, особенно нелинейность заметна в углах датчика, где аноды приближаются друг к другу. Компания Thorlabs использует один из вариантов датчиков с четырехсторонним расположением электродов – датчик в форме «подушечки». Модель такого датчика представлена на рисунке сверху. Аноды перемещаются в углы датчика, фигурная форма электродов обеспечивает компенсацию искажений сигнала вблизи периметра. Такая модель обладает линейностью на уровне датчиков с двухсторонним расположением электродов, но значительно меньшей стоимостью.

Принцип вычисления положения луча

PDP90A детектор от компании Thorlabs оснащен схемой для вычисления Δx, Δy и суммы сигналов по формулам:


Согласно этим формулам расстояние в единицах измерения длины можно вычислить с помощью уравнений:


где x и y – это расстояния от центра до края сенсора, Lx и Ly – характерные размеры резистивного слоя. Для PDP90A детектора Lx = Ly = 10 мм. Следует отметить, что размеры резистивного слоя не соответствуют размерам активной области датчика. Активная область обозначена на рисунке серым цветом.

Погрешность определения положения

В отличие от квадрантных датчиков, где требуется перекрытие всех четырех активных областей, представленные датчики позволяют получить информацию о нахождении пучка в любой точке детектора не зависимо от формы, размера и распределения мощности в пучке. Датчик определяет положение центра пятна света до тех пор, пока пятно находится на светочувствительной области. Если часть светового пятна покидает светочувствительную поверхность, это приведет к сдвигу центра, и измерения станут ненадежными.

К ошибкам в измерении положения пучка также может привести уровень внешней освещенности. Для уменьшения погрешностей измерения лучше проводить в темноте. Использование фокусирующей оптики и диафрагм, также позволит снизить ошибки, связанные с внешней освещенностью.

Разрешение

Разрешение позиционно-чувствительного детектора – это минимальное детектируемое смещение светового пятна на поверхности сенсора датчика. Разрешение (ΔR) зависит как от размеров резистивного слоя (Lx или Ly), так и от отношения сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум этой системы можно определить как отношение суммы выходных сигналов (Vo) к напряжению шума (en). Шум на выходе детектора PDP90A составляет <2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).

 , где

ΔR – разрешение,

Lx – характерный размер резистивного слоя,

en – шумовое напряжение на выходе детектора,

Vo – сумма выходных напряжений.

Для детектора PDP90A:


Для получения оптимальных результатов значение Voнеобходимо увеличить до 4 В, что обеспечит разрешение детектора на уровне 0. 750 мкм. Для этого необходимо следить за суммарным выходным сигналом (SUM) сенсора и одновременно регулировать интенсивность падающего излучения, пока напряжение на выходе не станет равно 4 В. Напряжение более 4 В приведет к насыщению системы и, следовательно, к ошибкам в измерениях. С помощью поставляемого программного обеспечения можно легко осуществлять контроль уровня напряжения. Если суммарное напряжение выше уровня насыщения, то ползунок, отображающий уровень суммарного напряжения, станет красным. В этом случае необходимо уменьшить интенсивность излучения до уровня, при котором цвет ползунка станет зеленым. Данное значение будет соответствовать 4 В выходного напряжения.

Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантных фотодиодов

Сенсор такого детектора состоит из четырех идентичных квадрантных фотодиода, которые разделены зазором ~0.1 мм и вместе образуют круглую зону детектирования для определения положения падающего пучка (в формате 2D). При попадании света на сенсор фототок генерируется в каждой области (на рис. Q1, Q2, Q3 и Q4). На основе этих сигналов с помощью АЦП вычисляются разностные сигналы. Также вычисляется сумма всех четырех сигналов для нормировки. Нормированные координаты (Х, У) положения пучка определяются с помощью уравнений:



Если симметричный пучок падает в центр сенсора, то система на выходе зарегистрирует 4 одинаковых фототока, т.е. разностные сигналы будут равны 0, а нормированные координаты (X, Y) = (0, 0). Фототоки изменятся, если пучок сдвинуть относительно центра. В этом случае разностные токи не будут раны 0.

Детекторы на основе квадрантных фотодиодов очень точные и отлично подходят для систем автоюстировки. Однако необходимо следить за формой и распределением интенсивности в пучке, т.к. данный вид детекторов чувствителен к этим параметрам. Для пучков, распределение мощности в которых не является Гауссовым, центр будет определяется на основе распределения мощности (не геометрический центр пучка). Для таких пучков предпочтительнее использовать детекторы, описанные в предыдущем пункте.

Счетчики одиночных фотонов

Лавинные фотодиоды в режиме Гейгера обладают способностью детектировать одиночные фотоны. Чувствительность на уровне одиночных фотонов может быть достигнута за счет увеличения напряжения смещения выше напряжения пробоя (т. А на рис.4). Лавинный фотодиод будет оставаться в метастабильном состоянии, пока не поглотиться фотон, который приведет к генерации лавины (т. B). Эта лавина гасится с помощью активной схемы гашения в фотодиоде (т. C), которая понижает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя (VBR).


Рис.4: Вольтамперная характеристика лавинного фотодиода в режиме Гейгера

После этого высокое значение напряжения смещения может быть восстановлено. В течении описанного процесса, которое известно как мертвое время диода, лавинный фотодиод нечувствителен к любым падающим фотонам. Когда диод находится в метастабильном состоянии, возможно спонтанное формирование лавин. Если спонтанное формирование лавин происходит хаотично, то зарегистрированный сигнал называется темновым отсчетом. Если спонтанное формирование лавин по времени коррелирует с импульсами от падающих фотонов, то такой сигнал называется послеимпульсом. Чтобы избежать регистрации послеимпульсов при проведении измерений, можно ввести дополнительное мертвое время программными средствами (с помощью ПО), что приведет к игнорированию счетчиком всех импульсов, возникших в течении этого времени.

Основные характеристики и понятия

Режим Гейгера

В этом режиме диод работает при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Следовательно, одна электрон-дырочная пара (сгенерированная в результате поглощения фотона или тепловых флуктуаций) может вызвать лавинный процесс.

Скорость темнового счета

Это средний показатель зарегистрированных отсчетов при отсутствии падающего излучения, который определяет минимальную скорость счета, при которой зарегистрированный сигнал в основном вызван реальными фотонами. Регистрация ложных фотонов в основном связана с тепловыми флуктуациями и таким образом, ее можно избежать с помощью использования охлаждаемых детекторов

Активное гашение происходит, когда дискриминатор регистрирует возникновение лавинного тока и резко уменьшает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя. При подготовке к регистрации следующего фотона напряжение смещения снова увеличивается до значений выше напряжения пробоя.

Мертвое время – это временной интервал, который необходим детектору для восстановления состояния, при котором он может регистрировать события без искажений. В течении этого времени он не видит падающих фотонов. Часть мертвого времени, связанная с активной схемой гашения, может быть определена как отношение пропущенных фотонов к падающим.

Послеимпульсы

Во время лавинного процесса некоторые заряды могут быть захвачены ловушками. При освобождении эти заряды могут привести к формированию лавины. Такие «ложные события» называют послеимпульсами (Afterpulses). Время жизни таких захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды. Следовательно, возникновение послеимпульсов более вероятно непосредственно после импульса от реального фотона.

Основные модели фотодетекторов от компании Thorlabs

В таблице представлены модели фотодетекторов от компании Thorlabs. Модели, расположенные в одной и той же строке, оснащены одинаковыми светочувствительными элементами.

Примечания:

aКалиброванный фотодиод

bКорпус TO-46

cКорпус TO-46 + разъем FC/PC

ФЭУ

Принцип работы

С момента появления первых коммерческих ФЭУ в 1940 году, этот вид детекторов остается одним из самых популярных при проведении экспериментов, в которых требуется малое время отклика и высокая чувствительность. Сегодня ФЭУ незаменимы при проведении исследований в области аналитической химии, физики элементарных частиц, астрономии, атомной и молекулярной физики, а также в медицине и контроле производственных процессов.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это чувствительные детекторы с высоким коэффициентом усиления, выходной ток которых пропорционален падающему излучению. ФЭУ состоит из стеклянной вакуумной трубки, в которой расположены фотокатод (фотоэмиссионный материал), 8-14 динодов (вторичная эмиссия) и анод (коллектор вторичных электронов). Если фотон с достаточно высокой энергией (т.е. с энергией больше энергии связи электронов материала фотокатода) падает на фотокатод, то он поглощается и испускается электрон (фотоэффект). Поскольку на первом диноде потенциал выше, чем потенциал на катоде (между этими элементами создается разность потенциалов), то выпущенный электрон ускоряется в электрическом поле и направляется на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Как правило, каждый динод обладает потенциалом, который на 100 – 200 В выше, чем потенциал предыдущего динода. Ток анода преобразуют в напряжение, для этого нагрузку с малым сопротивлением включают в цепь между анодом и землей. ФЭУ PMM01 и PMM02 от компании Thorlabs используют трансимпедансный усилитель (TIA) для преобразования тока анода (нА или мкА) в напряжение (мВ или В). Модули PMTSS, PMTSS2, и PMTSS2-SCM не содержат трансимпедансного усилителя.

Например, если ФЭУ состоит из 8 динодов, как показано на рис. ниже и каждый электрон приводит к появлению 4 вторичных электронов, то усиление тока после системы динодов будет составлять 48 ≈ 66,000. В приведенном примере, каждый фотоэлектрон приводит к появлению лавины с зарядом Q = 48e, которая приходит на анод. Импульс напряжения при этом равен V = Q/C = 48e /C, где C – емкость анода. Если емкость равна 5 пФ, то напряжение импульса на выходе будет равно 2.1 мВ.


Спектральная чувствительность

При выборе ФЭУ необходимо обратить внимание на материал фотокатода, т. к. он определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности. Коротковолновая граница определяется материалом окна. Сегодня изготавливают различные виды ФЭУ для работы в диапазоне от УФ до ИК, при этом используют различные материалы фотокатода, каждый из который предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне.

Квантовая эффективность (QE) – это величина, выражаемая в %, которая характеризует способность ФЭУ преобразовывать падающие фотоны в электроны. Например, QE равно 20%. Это означает, что один из 5 фотонов, падающих на фотокатод, приведет к появлению фотоэлектронов. Для задач счета фотонов, желательно иметь ФЭУ с высоким показателем квантовой эффективности. Поскольку QE зависит от длины волны, необходимо подобрать ФЭУ, с максимальной квантовой эффективностью в интересующем спектральном диапазоне. Следует отметить, что фотокатоды для видимой области спектра, как правило, обладают QE <30%.

Вычислить квантовую эффективность ФЭУ можно по формуле:


где S – это интегральная чувствительность [А/Вт], λ – длина волны [нм].

Конфигурация ФЭУ

Доступны две основные конфигурации ФЭУ: входное окно располагается на торце или на боковой стенке вакуумной колбы. В случае, когда входное окно расположено на торце, ФЭУ оснащен полупрозрачными фотокатодами и характеризуется большой площадью активной области, пространственной однородностью, и более высокой производительностью в синей и зеленой областях спектра. Такая конфигурация предпочтительнее для применений, требующих широкой спектральной чувствительности, таких как спектроскопия. В ФЭУ с боковым окном используют непрозрачные фотокатоды, такая конфигурация чаще всего используется при работе в УФ и ИК диапазоне. Конфигурация с боковым окном дешевле, чем конфигурация с окном на торце, и часто используется для задач, требующих высокой квантовой эффективности, таких как сцинтилляционные измерения.

8-14 динодов располагают линейно или по кругу. При линейном расположении (как показано на рис. ) ФЭУ обладает малым временем отклика, высоким разрешением и линейностью. Диноды располагаются по кругу в ФЭУ с боковым окном и в некоторых ФЭУ с торцевым окном, при этом система обладает компактными размерами и малым временем отклика.

Коэффициент усиления

ФЭУ – уникальны, так как способны усиливать очень слабые сигналы от фотокатода до детектируемого уровня выше шума считывания без внесения существенных помех. За усиление сигнала в ФЭУ отвечают диноды, и коэффициент усиления зависит от прилагаемого напряжения. ФЭУ может работать при напряжениях, превышающих значения, рекомендуемые производителем, обеспечивая при этом коэффициент усиления в 10-100 раз выше указанного в спецификации. При работе в таком режиме на ФЭУ не оказывается негативного влияния, если ток анода ниже предельно допустимых значений.

Темновой ток

В случае идеального ФЭУ, все сигналы, производимые фотокатодом, являются следствием попадания в трубку света. Однако, настоящие ФЭУ генерируют ток даже в отсутствии падающего излучения. Сигнал, генерируемый ФЭУ в отсутствии света, называется темновым током. Этот сигнал сильно снижает отношение сигнал/шум ФЭУ. Темновой ток главным образом обусловлен термоэлектронной эмиссией электронов из фотокатода и нескольких первых динодов, и в меньшей степени космическими лучами и радиацией. ФЭУ, разработанные для применений в красной области спектра, обладают более высокими значениями темнового тока, чем другие ФЭУ, за счет малых значений энергии связи электронов в фотокатодах, обладающих чувствительностью в красной области спектра.

Термоэлектронная эмиссия зависит от температуры фотокатода и работы выхода, а значит охлаждение ФЭУ может значительно снизить темновой ток. При использовании ФЭУ с термоэлектрическим охлаждением следует избегать конденсации на входном окне, так как влага уменьшит количество света, падающего на фотокатод. Кроме того, необходимо избегать чрезмерного охлаждения, так как это может привести к негативным последствиям: уменьшение уровня сигнала или напряжения на катоде, т. к. сопротивление катодной пленки обратно пропорционально температуре.

Время Нарастания

Для экспериментов, требующих высокого временного разрешения, время нарастания должно быть коротким. Время нарастания импульса тока анода чаще всего используется в качестве характеристики быстродействия ФЭУ. В конечном счете, время нарастания импульса определяется временем распространения разных электронов. Оно отличается по нескольким причинам. Во-первых, начальные скорости вторичных электронов различаются. т.к. они выбиваются из разных по глубине мест материала динодов. Некоторые электроны вылетая обладают ненулевой начальной энергией, поэтому достигнут следующего динода за более короткое время. Время пролета электронов также будет зависеть от длины пути. В результате всех этих эффектов, время нарастания импульса анодного тока будет уменьшаться с увеличением напряжения как V-1/2.

Другие факторы

При работе с ФЭУ следует тщательно выбирать электронику, которая будет использоваться. Даже небольшие флуктуации высокого напряжения, прилагаемого между катодом и анодом могут сильно повлиять на выходной сигнал. Кроме того, условия окружающей среды также могут влиять на работу ФЭУ. Изменения температуры и влажности, а также вибрации негативно влияют на производительность ФЭУ. Корпус ФЭУ также имеет большое значение, он не только защищает трубку от постороннего света, но и снижает влияние внешних магнитных полей. Поле с магнитной индукцией в несколько гауссов, может уменьшить коэффициент усиления. Этого можно избежать путем использования магнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью.

 

Тематические статьи по фотонике

Детекторы для счета фотонов на основе лавинных фотодиодов

25 лет назад мало кто из нас мог бы предсказать важность счета единичных фотонов в 21-м веке. Сегодня ученые и инженеры обычно полагаются на этот метод, когда требуется регистрация крайне слабых световых сигналов, и традиционные фотодетекторы не в состоянии отличить полезный сигнал от шума. Метод счета фотонов находит применение в различных областях промышленности, научных исследованиях и телекоммуникациях с конкретными задачами такими как квантовая криптография, спектроскопия, астрономические ЛИДАРы, флуоресцентная микроскопия, определение размеров частиц, разработка лекарственных препаратов, анализ ДНК, регистрация молекул и многие другие. 

Глядя на уровни сигналов, которые должны быть зарегистрированы в таких применениях, становится очевидным, почему этот метод называют счетом единичных фотонов. Число фотонов в секунду, соответствующее конкретному значению оптической мощности может быть определено как:

N (λ) = 5,03 ⋅ 1015 ⋅ λ ⋅ P, 

где P — оптическая мощность выраженная в Ваттах и ​​λ — длина волны в нм. Так, например, видно, что 1 фВт при длине волны 405 нм соответствует примерно 2000 фотонов/с, тогда как скорость счета 100 фотонов/сек при длине волны 670 нм соответствует уровню оптической мощности всего 30 аВт (рисунок 1).

Рис. 1: Соотношение между оптической мощностью и числом падающих фотонов в зависимости от длины волны

Несмотря на то, что конкретные требования вышеупомянутых применений могут значительно отличаться, все они имеют одну общую черту — необходимость высокоэффективного счета единичных фотонов с низким уровнем шума. Ниже рассмотрены несколько технологических решений на основе различных фотоприемников пригодных для счета фотонов.

Фотоэлектронные умножители

Традиционный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой особую форму вакуумной трубки, преобразующую поступающие фотоны в электрический сигнал, который внутренне усиливается с помощью, так называемого электронного умножителя. Фотон попадает на фотокатод ФЭУ, вызывая появление электрона, который затем фокусируется в электронном умножителе, состоящим из ряда вторичных электродов известных как система динодов, каждый из которых излучает дополнительные электроны при поглощении входящих электронов, тем самым создавая эффект лавинного умножения через устройство. На динодах поддерживается определенный электрический потенциал, который увеличивается от динода к диноду для ускорения электронов через фотоэлектронный умножитель в направлении анода, где они поглощаются, тем самым генерируя выходной сигнал в виде электрического импульса. Такой процесс требует подачи на фотоэлектронный умножитель высокого напряжения обычно 1-3 кВ. На рисунке 2 показано схематическое изображение традиционного фотоэлектронного умножителя.

Рис. 2: Схематическое изображение традиционного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ)

Фотоэлектронный умножитель также может использоваться в режиме Гейгера для обнаружения единичных фотонов, однако очень высокий внутренний ток требует электрического сброса фотоэлектронного умножителя после регистрации каждого фотона, что приводит к мертвому времени, в течение которого фотон не наблюдается. Несмотря на то, что существует несколько материалов для изготовления фотокатодов с различными спектральными характеристиками, которые могут быть использованы в зависимости от диапазона длин волн для регистрации фотонов, традиционные вакуумные ФЭУ обычно имеют лучшую чувствительность в более коротковолновой области спектра — длины волн синего и ультрафиолетового диапазона. Также ФЭУ, как правило, имеют относительно большие активные области (несколько десятков миллиметров в диаметре), но часто это приводит к высоким уровням темнового шума и склонности к послеимпульсам, эффект которых заключается в появлении ложных импульсов на выходе ФЭУ несмотря на то, что ни один фотон не был обнаружен.

Кремниевые фотоумножители

Совсем недавно были разработаны изготавливаемые на основе КМОП технологии многоячеистые кремниевые лавинные фотодиоды, работающие в гейгеровском режиме, которые часто называют кремниевые фотоумножители. Эта технология представляется перспективной, обладая такими преимуществами как — относительно низкая себестоимость фотоприемников благодаря традиционному КМОП процессу, низкое рабочее напряжение, компактные размеры с большой общей активной областью и хорошим временным разрешением. Однако на сегодняшний день темновой шум, который на несколько порядков выше, чем в обычном SPAD диоде (лавинный фотодиод для регистрации единичных фотонов) и низкая квантовая эффективность в более длинноволновой области спектра означает, что эти устройства по-прежнему значительно уступают одноэлементным SPAD фотодиодам используемым в большинстве применений связанных со счетом единичных фотонов.

Лавинные фотодиоды для регистрации единичных фотонов (SPAD фотодиоды)

Лавинные фотодиоды (APD – avalanche photodiode) представляют собой фотодиоды с высокой чувствительностью и с очень быстрым временем отклика. В отличие от обычных PIN фотодиодов лавинные фотодиоды используют внутреннее усиление для создания лавины электронно-дырочных пар под действием ударной ионизации. Предпосылкой к этому является достаточно высокое напряжение смещения, которое расширяет область поглощения лавинного фотодиода, чтобы обеспечить появление достаточного количества электронов/дырок при ионизации (рисунок 3). При работе ниже напряжения пробоя лавина очень скоро гасит себя из-за фрикционных потерь внутри полупроводника. Специально сконструированный лавинный фотодиод также может быть использован в режиме Гейгера, где напряжение смещения устанавливается выше напряжение пробоя, что позволяет поддерживать лавину и достигать внутреннего усиления до 108. Такие лавинные фотодиоды, как правило, называют лавинными фотодиодами для регистрации единичных фотонов (SPAD фотодиоды).

Рис. 3: Принцип работы лавинного фотодиода. Падающий фотон создает электронно-дырочную пару. Электрон, который ускоряется, создает дополнительную электрон-дырочную пару посредством ударной ионизации и возникает эффект лавины.

Гейгеровский режим работы при таком высоком коэффициенте усиления неизбежно приводит к очень высокому значению тока протекающего в SPAD фотодиоде, который должен находиться под контролем с использованием соответствующей схемы гашения для того, чтобы предотвратить повреждение фотоприемника. В своей простейшей форме схема гашения может быть основана на токоограничивающем резисторе, расположенном последовательно с лавинным фотодиодом, который будет гасить лавину, если значение резистора достаточно велико. Однако такие схемы обычно имеют долгое время восстановления, ограничивающее максимальную скорость счета. По этой причине большинство коммерчески доступных модулей счета фотонов на основе SPAD фотодиодов имеют активную схему гашения, которая регистрирует возникновение лавины, а затем снижает в течение нескольких наносекунд напряжение смещения на лавинном фотодиоде ниже напряжения пробоя. Результатом такого процесса является относительно малое мертвое время, как правило, около 50 нс, после чего напряжение смещения возвращается на прежний уровень, позволяя зарегистрировать следующий фотон. Таким образом, можно легко достигнуть максимальную скорость счета в 10 МГц и выше. В настоящее время лучшие модули счета фотонов на основе SPAD фотодиодов позволяют получить скорости темнового счета менее 10 импульсов/сек, что соответствует динамическому диапазону свыше 106. Коммерчески доступные модули SPAD имеют термоэлектрическое охлаждение, оптимизированную схему активного гашения и компактный корпус, что позволяет пользователю достигать максимальной производительности фотоприемника. На рисунке 4 показана блок-схема детектора для счета фотонов серии COUNT компании Laser Components (Германия) с разъемом для крепления оптического волокна.

Рис. 4: Блок-схема модуля счета фотонов серии COUNT фирмы Laser Components

Эффективность регистрации фотонов – путь к производительности

Несколько параметров могут быть наглядно использованы, сравнивая пригодность различных детекторов для работы в режиме счета фотонов. Такие параметры как темновой шум, вероятность послеимпульсов и мертвое время очень важны, но для большинства применений эффективность регистрации фотонов имеет первостепенное значение. По этой причине SPAD фотодиоды часто считаются предпочтительнее традиционных ФЭУ из-за их очень высокой квантовой эффективности в широком спектральном диапазоне от 300 нм до ближней инфракрасной области спектра. Как правило, чувствительность детектора для счета фотонов представляется как квантовая эффективность — отношение возникших электронов к числу поглощенных фотонов, выраженное в процентах. Производители некоторых фотоприемников предпочитают указывать чувствительность (А/Вт), которая связана с квантовой эффективностью соотношением:

QE = (R0 ⋅ 1240) / λ ⋅ 100%,

где R0 является чувствительностью выраженной в А/Вт и λ — длина волны в нм. При сравнении фотоприемников с аналогичным уровнем шума и вероятностью послеимпульсов детектор с самой высокой квантовой эффективностью, как правило, будет лучше всего подходить для счета фотонов. Следует отметить, что квантовая эффективность является выражением эффективности только самого лавинного фотодиода, тогда как на квантовую эффективность самого модуля счета фотонов на основе SPAD фотодиода влияет ряд других факторов, например, электроника может также незначительно влиять на общую производительность. По этой причине документация на модули SPAD часто ссылается на эффективность регистрации фотонов (PDE) или вероятность, которая представляет собой процентную вероятность падающего фотона, генерирующего электрический импульс на выходе детектора для счета фотонов.

При проектировании детектора для счета фотонов на основе SPAD фотодиода важно иметь в виду, что и эффективность регистрации фотона и темновая скорость счета зависят от напряжения смещения лавинного фотодиода. Как обсуждалось выше лавинный фотодиод работает в режиме Гейгера, при котором напряжение смещения выше напряжение пробоя, где разница между этими значениями напряжений известна как перенапряжение, которое может быть изменено для оптимизации конкретного параметра, как показано в Таблице 1. Тем не менее такая оптимизация может быть успешной только если базовая конструкция лавинного фотодиода сделана достаточно качественно, чтобы достичь максимальную квантовую эффективность при сохранении минимального K-фактора полупроводника (отношение ионизационных свойств дырок к электронам) для снижения уровня шума. Компания Laser Components специально разработала лавинный фотодиод, предназначенный для счета фотонов, на основе которого можно изготавливать модули SPAD с недостижимыми ранее параметрами производительности, такими как скорость темнового счета менее 10 импульсов/сек с эффективностью регистрации фотонов более 80% при длине волны 670 нм.

Рабочее напряжение, В

Перенапряжение, В

PDE при 405 нм, %

PDE при 670 нм, %

PDE при 810 нм, %

Скорость темнового счета, импульсы/сек

Вероятность послеимпульсов, %

Мертвое время, нс

346. 3

2.0

30

55

32

15.4

0.04

61

348.4

4.1

36

69

43

31.4

0.11

55

350. 6

6.3

40

79

51

57.4700р

0.24

51

352.3

8.0

43

85

55

91.4

0.42

50

355. 0

10.7

45

90

60

138.2

0.89

49

Таблица 1: Эффективность регистрации фотонов и скорость темнового счета относительно рабочего напряжения для детекторов для счета фотонов серии Count фирмы Laser Components.

В то время как SPAD фотодиоды традиционно считались фотоприемниками, в пользу которых отдавался выбор для счета фотонов в красной и ближней инфракрасной области спектра, традиционные ФЭУ использовались в синей области и ближней к УФ-области спектра из-за их превосходной квантовой эффективности на более коротких волнах. Однако последние разработки SPAD фотодиодов показывают, что сегодня детекторы для счета фотонов на основе этих фотоприемников могут быть эффективно использованы в области спектра от УФ до ближнего ИК. Одним из таких примеров является детектор для счета фотонов серии COUNT BLUE от компании Laser Components, разработанный в начале 2011 года на основе УФ-улучшенной версии лавинного фотодиода для счета единичных фотонов. Модуль счета фотонов COUNT BLUE демонстрирует типовую эффективность регистрации фотонов 55% при 405 нм и 70% при 532 нм. Улучшенные модули SPAD также существуют для ближнего инфракрасного диапазона длин волн, например модуль серии COUNT NIR от компании Laser Components, который был специально разработан для применения в квантовой оптике и квантовой криптографии. Этот модуль обладает эффективностью регистрации фотонов около 60% при 810 нм (рисунок 5).

Рис. 5: Модули счета фотонов серии COUNT NIR и COUNT Q

Дополнительными преимуществами модулей счета фотонов на основе SPAD фотодиодов являются простота работы с низким напряжением питания (обычно +5 или +12 В), а также дополнительный разъем для крепления оптического волокна, которое может быть оптимизировано для конкретного диапазона длин волн по запросу.

Несмотря на то, что большинство усилий было сконцентрировано на разработке SPAD фотодиодов на основе кремния, возрастающий интерес к счету единичных фотонов при больших длинах волн привел к появлению лавинных фотодиодов, работающих в гейгеровском режиме, на основе InGaAs. Эти InGaAs лавинные фотодиоды могут работать с эффективностью регистрации фотонов до 20% или более, хотя и со значительно более высокой скоростью темнового счета, чем аналогичные фотоприемники на основе кремния. Их разработка началась в основном благодаря достижениям в области квантовых методов криптографии, где необходима передача данных на большие расстояния по оптическому волокну. В этом применении высокая эффективность регистрации фотонов кремниевых фотоприемников компенсируется большими потерями при передачи данных по волокну при более коротких волнах, в то время как превосходная передача данных по волокну на длине волны 1550 нм более чем компенсирует более низкую квантовую эффективность детектора на основе InGaAs. Для таких применений компанией Laser Components был специально разработан новый детектор для счета фотонов на основе InGaAs SPAD фотодиода (рисунок 5), который имеет регулируемую эффективность регистрации фотонов (до 20%, уже с поправкой на темновую скорость счета и вероятность послеимпульсов) и перестраиваемое мертвое время, что позволяет заказчику настроить фотодетектор для решения любой задачи.

Резюме

Все большее число применений связанных с возникновением единичных фотонов в спектральном диапазоне длин волн от УФ до ближней ИК области также накладывают повышенные требования к фотоприемникам, которые должны обнаружить эти единичные фотоны. В будущем тенденция будет сочетать в себе преимущества недорогой КМОП технологии с эффективными и малошумящими SPAD детекторами.

 

Что такое фотоэлемент (фотореле) и где его применяют

Если вы активно используете всевозможные электронные электроприборы, которые подарил нам прогресс, наверняка, вы замечали, как увеличиваются ваши расходы на оплату электроэнергии с покупкой очередного такого прибора. Неудивительно, что каждого в таком случае посещают мысли о возможных вариантах экономии, тем более, в условиях нестабильной экономической ситуации в стране. И в этом вам поможет, как никто другой, фотоэлемент или, всем известное, фотореле. Использовать его можно при уличном освещении, потому это, скорее, вариант для владельцев частных домовладений. Закономерно возникает вопрос: а что такое фотоэлемент и как он работает? Давайте разбираться.

Понятие фотоэлемента

Фотоэлемент (фотореле) — это прибор, который приходит в действие от солнечной энергии. При попадании на него солнечных лучей, в нем образуется фотоэдс — электродвижущая сила. Существует два вида: электровакуумный и полупроводниковый фотоэлемент.

Интересно: Солнечная энергия — свет, вода, будущее.

Принцип работы фотоэлемента

Важнейшая деталь фотоэлемента — фотореле, которое приводит в действие весь механизм. Когда реле контролирует функционирование осветительного прибора, можно получить максимальную экономию. Состоит фотоэлемент из двух частей, обладающих разной проводимостью. К этим частям присоединяют контакты для использования их во внешней цепи. Именно на них и подается напряжение, преобразовываясь в электрический ток.

Световая энергия в фотоэлементе трансформируется в электроэнергию.

Выбирая в магазине фотоэлемент, вы можете заметить, что существует множество приборов, которые будут отличаться мощностью и предназначением. Вмонтировать их можно на стены, фонарные столбы и т.п. Места они займут совсем немного.

Из чего делают фотоэлементы?

Основным материалом, из которого их изготавливают, остается кремний. Первыми попробовали использовать при производстве фотоэлементов кремний в лаборатории компании Bell Telephone. Там был создан первый такой прибор. И хоть компания искала исключительно источник энергии для своих телефонных станций в качестве альтернативного источника солнечной энергии, по теперешнее время кремний используется остальными производителями в производстве фотоэлементов. К тому же, этому способствует тот факт, что материал кремний очень распространен на планете и его запасы велики. Сложность состоит только в процессе его очищения. Очистка обходится дорого, потому встретить чистый кремний не так легко. Поэтому компании в данный момент пытаются найти альтернативу, которая бы не уступила кремнию по коэффициенту полезного действия.

Как выбрать фотоэлемент

При его выборе, можно сэкономить уже на самой покупке. Для этого покупайте модель, которая рассчитана на такую мощность, которая потребляется вашей лампой. Довольно часто лампы уже идут в комплекте с фотоэлементами, что существенно облегчит ваш выбор.

Перед тем, как сделать покупку, просчитайте нагрузку и определите, при каком режиме вы собираетесь эксплуатировать фотоэлемент. Также учитывайте такие факторы, как погодные условия вашего региона и влажность воздуха. Перечисленные выше факторы определят длительность использования прибора, а также качество выдаваемого им освещения. — выражается в мкм; Е2, Е — в эВ.

Разность Е2 — Е — энергетический зазор при переходе «зона-зона» или «примесный уровень-зона» (рис. 6.1, а). Е2 соответствует Еп Е — то же

Рассмотрим принцип действия фотоприемного прибора на основе «-перехода (рис. 6.1, б). При поглощении фотона в полупроводнике образуются пары электрон-дырка. При их разделении возникает фототок, причем электроны перемещаются в «-области, а дырки — в р-области.

Вероятность разделения созданной фотоном пары электрон-дырка выше в том случае, если эта пара образуется в области полупроводника, находящейся под воздействием элек­трического поля. Альтернативой разделения является обычная рекомбинация пары элек­трон-дырка, при которой не происходит какого-либо смещения заряда и, таким образом, ие вносится вклад в фототок. Электрическое поле распределяется в кристалле полупровод­никового прибора неравномерно. В диффузионных областях р — и и-типа поле намного сла­бее, чем в области между ними, известной под названием обедненного слоя. Для эффектив­ной работы фотоприемника необходимо, чтобы наибольшее число фотонов поглощалось в обедненном слое, т. е. фотоны не должны поглощаться, пока не вышли за пределы обеднен­ного слоя.

Глубина проникновения фотона в полупроводник до поглощения зависит от его длины волны. Фотоны с малой длиной волны поглощаются вблизи поверхности, а фотоны с боль­шей длиной волны могут проникать через всю толщу кристалла. Поэтому для обеспечения широкой спектральной характеристики необходимо, чтобы кристалл фотодиода имел очень тонкий р-слой, допускающий проникновение фотонов с малой длиной волны, и толстый обедненный слой для получения максимального фототока от длинноволновых фотонов.

Толщина обедненной области зависит от удельного сопротивления полупроводника в этой области и от обратного смещения. Обедненный слой существует и в том случае, когда обратное смещение не приложено. Это обусловлено наличием «встроенного» поля, которое образуется вследствие диффузии через переход неосновных носителей. Напряжение обрат­ного смещения расширяет обедненную область.

Рис. 6.1. Принцип действия фотоприемного прибора: а — энергетическая диаграмма; б — процессы в р-л-переходе; в — распределение электрического поля в структуре; Е„р — энергия примесного уровня; 1 — переход «зона-зона»; 2— переход «валентная зона-примесный уровень»;

3 — переход «примесный уровень-зона проводимости»

Размеры обедненного слоя при любом напряжении больше в тех приборах, у которых вблизи /7-и-перехода материал имеет более высокое удельное сопротивление. В то же вре­мя на обеих противоположных поверхностях кристалла для изготовления омических кон­тактов требуется низкое удельное сопротивление. Фотоприемники с /?-и-переходом, напри­мер солнечные батареи, изготавливают методом диффузии примеси р-типа в материал «-ти­па с низким удельным сопротивлением. Малая толщина диффузионного р-слоя обеспечива­ет высокую чувствительность к фотонам с малой длиной волны, но, чтобы расширить обед­ненную область для создания высокой чувствительности к фотонам с большой длиной вол­ны, требуется относительно высокое обратное смещение. Глубокая диффузия примеси р-ти­па ухудшает чувствительность к излучению с малой длиной волны, но благодаря созданию «плавного» перехода дает возможность уменьшить напряжение смещения, необходимой для обеспечения хорошей чувствительности к излучению с большой длиной волны. Для по­вышения чувствительности к фотонам с малой и большой длинами волн при низком обрат­ном смещении между р — и «-областями используют слой с высоким удельным сопротивле­нием, получивший название /-слоя Фотоприемники, имеющие 1-слой, получили название р-1-и-структур. Такой прибор имеет тонкую диффузионную /7-область (на которую падает поток излучения) и более толстую диффузионную «-область с другой стороны высокоомной кремниевой пластины. В фотоприемниках с р-/-«-структурой /-слой имеет такое высоко удельное сопротивление, что даже при нулевом смещении обедненный слой распространя­ется от /7-слоя примерно на половину глубины /-слой. При обратном смещении до 5 В обед­нение распространяется вплоть до «-слоя и наблюдается эффект «смыкания». Поскольку пробивное напряжение превышает 200 В, часто желательно устанавливать режим работы при обратных напряжениях, превышающих напряжение смыкания, чтобы поддерживать полное обеднение /-слоя даже при высоких уровнях потока излучения. Это обеспечивает наилучшую линейность и быстродействие.

Качество фотоприемника может быть оценено введением параметра квантовая эффек­тивность. В идеальном случае каждый фотон должен генерировать один электрон фотото­ка. Квантовая эффективность т), таким образом, измеряется как число электронов на фотон.

На практике часто используют в качестве основного рабочего параметра фоточувстви­тельность 5ф, А/Вт,

5ф=л(Х/1,24) = /ф/Ф„ (6.2)

Где X — длина волны фотона, мкм; /ф — фототок, А; Фе — поток излучения, Вт.

принцип работы и основные характеристики

Введение

Фотодетекторы EOT — по-настоящему многофункциональный инструмент для измерений ширины импульса и различных приложений, связанных с анализом профиля импульса.

Серия ЕТ разработана на базе PIN фотодиодов. Фотодетекторы работают в режиме обратного смещения. В основе работы PIN фотодиодов — внутренний фотоэффект, с помощью которого оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал (ток). В качестве источника напряжения обратного смещения используется литиевый элемент (один или более) на 3 В. Если требуется более высокое напряжение, подключают внешние аккумуляторы. Каждый фотодетектор оснащен выходным SMA или BNC разъемом. Для подключения фотодетектора к осциллографу достаточно установить нагрузочное сопротивление в 50 Ом. Почти все фотодетекторы подходят к подключению через разъем FC и совместимы с оптоволоконными источниками излучения.

Фотодетекторы с усилителем трансимпеданса

Эти фотодетекторы также основаны на технологии PIN фотодиодов, однако оснащены еще и высокоскоростным усилителем трансимпеданса. Благодаря усилителям повышается чувствительность фотодетектора — устройство распознает излучение мощностью до 100 нВт.
В основном коэффициент усиления в фотоприемниках с усилителем трансимпеданса составляет 26 дБ. Следует отметить, что эти фотоприемники связаны по переменному току, нижняя частота среза составляет 30 кГц.

Приложения

  • Измерение ширины импульса / визуализация профиля импульса лазерных источников с модуляцией добротности
  • Мониторинг выходного сигнала лазеров с синхронизацией мод
  • Визуализация резкой модуляции диодных лазеров и непрерывных (или импульсных) лазерных источников с внешней модуляцией
  • Обнаружение пучка / калибровка импульсных и непрерывных лазеров
  • Фотоприемники с большой рабочей областью применяются и в качестве измерителей мощности (расчет уровней мощности проводится по закону Ома)

На рисунке проиллюстрированы некоторые области применения фотоприемников серии ET:

Слева: профиль непрерывного импульса длительностью менее 100 пс (анализ сделан при длине волны 1064 нм, фотодетектор ET-2000), справа: биение мод в лазерном Q-switched источнике на основе Nd:YAG кристалла, диапазон частот осциллографа более 10 ГГц, фотодетектор ЕТ-2000

Основные характеристики фотодетекторов

Чувствительность: отношение возникающего фототока к данной мощности падающего света, зависит от длины волны, единица измерения А/Вт.

Спектральная чувствительность: спектральная чувствительность фотодетектора представлена зависимостью от длины волны.

Время нарастания: время, необходимое для роста уровня выходного сигнала фотодетектора от 10% до 90% от пиковой величины.

Время спадания: время, необходимое для снижения уровня выходного сигнала фотодетектора от 90% до 10% от пиковой величины.

Частотная характеристика: частотная характеристика фотоприемника чаще всего описывается как функция чувствительности от частоты модуляции потока излучения, измеряется в децибелах или герцах.

Нижняя пороговая частота: частота излучения, при которой мощность выходного сигнала фотодетектора снижается на 3 дБ, при этом частота сигнала составляет порядка 100 кГц.

Частотный диапазон: разность между верхним и нижним частотным порогом, измеренная в герцах. Частотный диапазон фотодетектора приближенно рассчитывается через время нарастания Tr по следующей формуле:

Частотный диапазон (Гц) ≈ 0.35/Tr

Темновой ток: небольшой ток, протекающий в фотодиоде при отсутствии освещения фотокатода.

Емкость перехода: значение емкости между выводами полупроводникового излучателя без емкости корпуса при заданных напряжении смещения и частоте.

Напряжение пробоя: значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода, при котором обратный ток через полупроводниковый излучатель превышает заданное значение.

Энергетический эквивалент шума: энергетический эквивалент количества падающих фотонов (излучения) к уровню собственных шумов, когда соотношение сигнал/шум составляет 1.

Расчет мощности лазера

Используя значение чувствительности при данной длине волны и применяя закон Ома (V=IR), можно рассчитать мощность лазерного излучения, прошедшего через активную область детектора.

Например, выходной сигнал фотодетектора ЕТ-2030 имеет мощность 20 мВ, длина волны лазерного излучения 632.8 нм. Нагрузочное сопротивление 50 Ом, мощность входного сигнала рассчитывается как: I = 0.02 В/50 Ом, откуда I = 0.0004 A.

Спектральная чувствительность кремниевого фотодетектора ЕТ-2030 при длине волны излучения 632.8 нм составляет 0.4 A/Вт. Тогда 0.0004 A/0.4 A/Вт = 1 мВт — искомая мощность входного излучения.

Нужно отметить, что расчеты приводятся только для сигнала, затронувшего рабочую область фотодетектора. Расчеты абсолютной мощности сигнала не столь важны для практических применений, поскольку в реальных установках присутствуют потери.

Принципиальная схема фотоприемников

Схема электрической цепи фотодетекторов на основе арсенида галлия-индия и кремния, частотный диапазон менее 2 ГГц:

Схема электрической цепи фотодетектора с частотным диапазоном более 12 ГГц:

 

© Electro-Optics Technology, Inc. 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции EOT на территории РФ

 

 

Электронный резонанс может значительно улучшить отклик фотодетекторов на оптических чипах

Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, фотодетектора на основе германия-кремния с металлическими контактами для усиления плазмонного света. Кредит: 2010 AIP

Оптические чипы — это последнее нововведение в кремниевой технологии, способное произвести революцию в телекоммуникациях. Их работа зависит от нескольких ключевых компонентов, включая светоизлучающие устройства, волноводы и фотодетекторы.Инженеры ищут способы миниатюризировать эти компоненты, не жертвуя скоростью обработки данных встроенными оптическими чипами. Патрик Го-Цян Ло и его сотрудники из Института микроэлектроники A * STAR создали высокочувствительный фотодетектор, используя эффекты усиления электронных резонансов, возникающих на металлических контактах.

Поверхностные плазмонные поляритоны — коллективные движения электронов на поверхности металлов — как известно, усиливают и фокусируют электромагнитные волны в непосредственной близости от них.Плазмонный эффект широко изучался на предмет его способности улучшать характеристики оптических устройств, но в этом исследовании исследователи применили это явление для улучшения чувствительности и, следовательно, скорости полупроводниковых детекторов.

Фотодетекторы на кремниевом кристалле обычно предназначены для улавливания света, проходящего через кремниевые волноводы. Свет, проходящий через кремниевые волноводы, обнаруживается германием, другим полупроводником, который выращивается непосредственно поверх кремниевой структуры.Однако необходимо значительно повысить чувствительность германиевого детектора, чтобы увеличить скорость и еще больше уменьшить площадь, занимаемую фотодетектором.

Плазмонный резонанс может легко повысить чувствительность этого обнаружения света. Исследователи представили плазмоны, добавив тонкие алюминиевые контакты наверху устройства (на фото). Плазмонные эффекты в металлических пленках направляют значительно больше света из кремниевого волновода в фотодетектор, что имеет важные последствия для рабочих характеристик устройства.«Улучшенное фотодетектирование позволяет использовать устройства меньшего размера, что, в свою очередь, означает, что скорость устройства может быть значительно увеличена», — объясняет Ло.

Исследователи продемонстрировали скорость обнаружения 37,6 пикосекунды или выше, что соответствует скорости передачи данных 11,4 гигагерц — на несколько порядков выше, чем та, которую можно достичь при использовании современных широкополосных соединений.

В то же время эти скорости все еще отстают от полного потенциала этих детекторов. Одна из причин, говорит Ло, — потери, возникающие из-за плазмонных резонансов, которые поглощают часть света и, следовательно, уменьшают количество света, попадающего на детектор.«Отклик детектора ниже, чем мы ожидали от нашей конструкции», — говорит Ло. «Улучшение плазмонных свойств детектора, например, за счет конструкции различной геометрии, могло бы облегчить такие проблемы и позволить дальнейшую миниатюризацию фотодетекторов на кремниевых чипах».

Исследователи, связанные с A * STAR, участвующие в этом исследовании, представляют Институт микроэлектроники.


IMEC сообщает о методе интеграции плазмонной технологии с современными ИС
Дополнительная информация: Рен, Ф.-F. и другие. Поверхностный плазмон усиливает чувствительность в световодном германиевом фотодетекторе металл-полупроводник-металл. Письма по прикладной физике 97, 091102 (2010). dx.doi.org/10.1063/1.3485064

Предоставлено Агентство науки, технологий и исследований (A * STAR)

Ссылка : Электронные резонансы могут значительно улучшить реакцию фотоприемников на оптических чипах (2011, 28 марта) получено 13 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2011-03-electronic -резонансы-great-response-optical.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Разработка новых детекторов электронного облака в PS

1 Разработка новых детекторов электронного облака в СЕМИНАРЕ TE-VSC PS Кристина Инь Валлгрен от имени проекта LIU-PS Руководитель: Паоло Чиггиато Координатор LIU-PS: Группа вакуума, поверхностей и покрытий Симоне Джилардони (VSC), отдел ТЕ ЦЕРН, Женева, Швейцария, июнь

2 Краткое содержание Введение 1 Введение Светимость: количество для оценки производительности ускорителя Электронное облако (EC): одно из основных ограничений для методов устранения электронного облака с высокой светимостью LHC Методы обнаружения электронного облака 2 Существующий монитор электронного облака в PS Обоснование данной работы Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа 3 Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа 2/52

3 Краткое содержание Введение Что такое светимость? Наращивание электронного облака (EC) Устранение EC Обнаружение EC 1 Введение Светимость: количество для оценки производительности ускорителя Электронное облако (EC): одно из основных ограничений для методов устранения электронного облака с высокой яркостью LHC Методы обнаружения электронного облака 2 Существующий монитор электронного облака в PS Обоснование этой работы Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа 3 Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа 3/52

4 Светимость: L [см 2 с 1] Что такое светимость? Накопление электронного облака (ЭК) Исключение ЭК Обнаружения ЭК Определение: мера вероятности (скорости) столкновения частиц на единицу площади в процессе столкновения.Общая скорость счета физического события R задается как: R = L σ Phys (1) σ Phys: сечение изучаемого физического процесса — очень низкое. Чтобы увеличить R, увеличьте светимость L. 4/52

5 Светимость: L [см 2 с 1] Что такое светимость? Наращивание электронного облака (ЭК) Исключение ЭК Обнаружения ЭК Светимость для двух сгустков с идентичными профилями распределения определяется как: L = fn 1N 2 4πσ x σ z (2) f: частота встречи N 1, N 2: числа частиц (количество сгустков, интенсивность сгустка) σ x, σ z: среднеквадратичная ширина сгустка по горизонтали и вертикали Светимость может быть увеличена за счет: увеличения интенсивности сгустка или количества сгустков, т.е.е. N 1, N 2. увеличение фокусировки луча в зонах взаимодействия, т.е. σ x, σ z. 5/52

6 Наращивание электронного облака Что такое светимость? Накопление электронного облака (ЭК). Исключение ЭК. Обнаружение ЭК. В высокоэнергетических ускорителях протонов, позитронов или ионных частиц может образоваться электронное облако: инициированное ионизацией остаточного газа (X + p X + + p + e). [случай PS] фотоэмиссия синхротронного излучения (X + hν X + + e). поддерживается за счет: последующей вторичной электронной эмиссии посредством индуцированного пучком мультипакторинга, если максимальный выход вторичных электронов (SEY) на поверхности лучевой трубы превышает критическое значение.Выход вторичных электронов (SEY) γ γ γ Первичный электрон (PE) SE 2 Вторичный электрон (SE) SE 1 Поверхность лучевой трубки Поверхность имеет SEY δ = 2 20 нс 5 нс 20 нс 5 нс 6/52

7 Электрон Создание облаков Что такое светимость? Накопление электронного облака (ЭК) Исключение ЭК Обнаружение ЭК Электронное облако приводит к: динамическому повышению давления (электронно-стимулированная десорбция). пучковые неустойчивости. раздувание поперечного эмиттанса (расширение сгустка). тепловая нагрузка в криогенных вакуумных системах.быстрые или медленные потери пучка. Электронное облако: одно из основных ограничений для LHC с высокой светимостью в будущем L = f N 1N 2 4πσ x σ z (3) 7/52

8 Наращивание электронного облака Что такое светимость? Накопление электронного облака (ЭК) Исключение ЭК Обнаружение ЭК Электронное облако приводит к: динамическому повышению давления (электронно-стимулированная десорбция). пучковые неустойчивости. раздувание поперечного эмиттанса (расширение сгустка). тепловая нагрузка в криогенных вакуумных системах.быстрые или медленные потери пучка. Электронное облако: одно из основных ограничений для LHC с высокой светимостью в будущем L = f N 1 N 2 4πσ x σ z (4) 8/52

9 Методы устранения электронного облака Что такое светимость? Наращивание электронного облака (ЭК) Устранение ЭК Обнаружение ЭК Устранение электронного облака в ускорителях Механическая модификация в вакуумных камерах Изменение свойств материала в вакуумных камерах Очистка электродов (необходимость дополнительных электрических вводов) Камеры с канавками и прорезями (уменьшение апертуры лучевой трубы ) Камеры с электромагнитной обмоткой (не применимо в случаях e.г. диполи) Тонкопленочные покрытия Подготовка поверхности (очистка пучком, графитизация) TiN (работает под воздействием кондиционирования на месте) TiZrV (NEG) (активация при 180 ° C на месте) Тонкая пленка из аморфного углерода δ max ~ 1,0 Нет необходимости обжига Медленно старение Крупномасштабное производство 9/52

10 Методы обнаружения электронного облака Что такое светимость? Наращивание электронного облака (EC) Исключение EC Обнаружение EC Обнаружение EC Локальные измерения EC Интегрированные EC на длинном участке Кнопочные датчики Полосовые детекторы Передача микроволн Фазовый сдвиг в зависимости от общей интенсивности луча Простой, быстрый Используется на прямых участках PS и SPS Простой , быстро, положение Используется в прямых участках SPS Реализовано в диполе SPS Измерено на LHC Новое предложение (обнаружение фотонов) 10/52

11 Краткое описание Введение Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы 1 Введение Светимость: количество для оценки производительность ускорителя Электронное облако (EC): одно из основных ограничений для LHC с высокой яркостью Методы устранения электронного облака Методы обнаружения электронного облака 2 Существующий монитор электронного облака в PS Мотивация этой работы Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа 3 Разработка 1: Экранированный подборщик кнопочного типа 11/52

12 Существующий Детекторы ЭК в ПС Мотивация данной работы Существующий монитор электронного облака в ПС Первое наблюдение ЭК в ПС в 2000-е годы.Создание первого электронного облака на прямом участке ПС 98, голая ст.ст. вакуумная камера Вторая установка в прямом участке ПС 84, нержавеющая сталь с покрытием a-c. вакуумная камера F. Caspers, T. Kroyer, E. Mahner 12/52

13 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы План исследования электронного облака LIU-PS Пока что нет прямого монитора электронного облака в любом основном магните Диполь в прямом сечении не отражает реальную ситуацию в основном магните: Нет сильного магнитного поля Нет наклона магнитного поля Прямые измерения электронного облака На прямых участках с С-магнитом В дипольном магните? 13/52

14 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы План исследования электронного облака LIU-PS Измерения электронного облака в реальном магните обеспечат: Прогнозирование распределения накопления EC в магнитах PS для лучи повышенной интенсивности в рамках программы модернизации.Валидация имитационных моделей и кодов ЕС. Прямые измерения электронного облака на прямых участках с помощью C-магнита В дипольном магните Разработка новых мониторов электронного облака в главном магните PS 1. Разработка 1 2. Разработка 2 14/52

15 Существующие детекторы EC в PS Мотивация данной работы Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа — Конструкция Идеальное положение для приемного устройства: вверху / внизу вакуумной камеры из-за магнитного поля Невозможно из-за ограниченного пространства в главном магните PS Фланец DN40 размещен на 30 ° снизу часть вакуумной камеры PS магнит вакуумная камера LHC луч e- e- B Используйте радиальное управление, чтобы переместить луч к датчику EC.(30 мм возможно при моделировании) экранированный датчик 15/52

16 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа — конструкция Идеальное положение для приемного устройства: сверху / дно вакуумной камеры из-за магнитного поля. Невозможно из-за ограниченного пространства в главном магните PS, фланец DN40 размещен на 30 ° в нижней части вакуумной камеры. Используйте радиальное управление, чтобы переместить луч к датчику EC.(30 мм возможно при моделировании) 16/52

17 Существующие детекторы EC в PS Мотивация данной работы Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа — конструкция Идеальное положение для датчика: сверху / снизу вакуума камера из-за магнитного поля. Невозможно из-за ограниченного пространства во фланце главного магнита PS DN40, размещенном на 30 ° в нижней части вакуумной камеры. Используйте радиальное управление, чтобы переместить луч в направлении датчика EC. (30 мм возможно при моделировании) Вакуумная камера магнита PS Различные типы балки PS Экран Пластина из нержавеющей стали с покрытием Ag? 17/52

18 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа — Моделирование Инструмент анализа SCALA в OPERA-3D для проверки эффективности измерения тока Смещение луча 30 мм: 3.3 мкА поступает на датчик. Ток электронного облака поступает на датчик = na. Поток электронного облака шириной 40 мм составляет 2×10-4 А / мм 2 B (y) = 1,2 Тл. Ток электронного облака поступает на датчик = 3,3 ма Поток электронного облака шириной 40 мм 2×10-4 А / мм 2 B (y) = 1,2 Тл Смещение +60 В на датчике Смещение +60 В на датчике Предположим: лучи типа LHC создают поток электронного облака: Ширина 40 мм и плотность тока А / мм 2. Магнитное поле диполя: 1,2 Тл. Смещение датчика: +60 В. 18/52

19 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этого работа — Теория Феноменология электронов, падающих на поверхность Рентгеновское излучение УФ, ИК и видимая катодолюминесценция e- Вторичные электроны Оже-электроны Обратно рассеянные электроны Схема принципа катодолюминесценции металлов Образец Возбужденный объем 19/52

20 Существующие детекторы ЕС в PS Мотивация данной работы — Теория Феноменологии электронов. Падение на поверхность. Электронная схема принципа катодолюминесценции металла E начальные Вторичные электроны (уход с поверхности) Первичные электроны ~ 300 эв — Вторичные электроны (переходят в незанятые состояния) Рентгеновские лучи УФ, ИК и видимая катодолюминесценция Вторичные электроны Оже электронных эта работа — Теория => Применение Катодолюминесценция медных и никелевых поверхностей 405 I ENERGY (ev) i -! — L Медь Скорректированная катодолюминесценция Чистая поверхность Спектры 300 эв чистой меди при энергии некорректированного электронного спектра 300 эв и 1 кэв.Б. Папаниколау и др. др., J. Phys. Chem. Твердые тела, об. 37, с. Рис. 2. Спектр катодолюминесценции чистой меди. Спектр не скорректирован для отклика системы. Измерение ЭК с коррекцией спектра на чистой поверхности меди методом электронно-фотонной эмиссии. Электроны в ЭК имеют относительно низкие энергии (300 эв). Ожидаемая длина волны фотона с электронами 300 эВ: 200-700 нм (видимая область). Ожидаемые энергии фотонов: от 2 эв до 5 эВ. I, 1,, I ,,,,,,,,,,,,,,, ДЛИНА ВОЛНЫ (нм) Рис. 3. Скорректированные спектры катодолюминесценции чистой меди при энергиях электронов 300 эв и 1 кэв.Пик 230 нм появляется в каждом нескорректированном спектре люминесценции меди и никеля и является независимым, поэтому для любого надежного измерения люминесценции металла поверхность должна быть чистой. 21/52

22 Существующие детекторы EC в PS Мотивация данной работы — Теория => Применение Катодолюминесценция поверхностей меди и никеля 405 I ENERGY (ev) i -! — L COPPER Скорректированная катодолюминесценция Clean Surface 300 ev Спектры чистой Cu при Некорректированные электроны Спектр энергий 300 эв и 1 кэв.Б. Папаниколау и др. др., J. Phys. Chem. Твердые тела, об. 37, с. Рис. 2. Спектр катодолюминесценции чистой меди. Спектр не скорректирован для отклика системы. Измерение EC на чистой поверхности меди методом электронно-фотонной эмиссии. Электроны в ЭК имеют относительно низкие энергии (300 эв). Ожидаемая длина волны фотона с электронами 300 эВ: 200-700 нм (видимая область). Ожидаемые энергии фотонов: от 2 эв до 5 эВ. Скорректированный Spectrum PS магнит вакуумная камера Фотоумножитель hν hν hν hν LHC типы пучка e- e- B I, 1,, I ,,,,,,,,,,,,,,, Оптическое окно hν hν hν ДЛИНА ВОЛНЫ (нм) Рис.3. Исправленные спектры катодолюминесценции чистой меди при энергиях электронов 300 эв и 1 кэв. Пик 230 нм появляется в каждой нескорректированной люминесценции — поэтому для любого надежного измерения люминесценции из 22/52

23 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы — Теория => Применение уровней синхротронного излучения в различных ускорителях. УФ и видимые фотоны в PS находятся за пределами диапазона СИ. Электронно-фотонный метод эмиссии может быть применен в PS.700 нм 200 нм Роберто Керсеван 23/52

24 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы — Теория => Применение уровней синхротронного излучения в различных ускорителях. УФ и видимые фотоны в PS находятся за пределами диапазона СИ. Электронно-фотонный метод эмиссии может быть применен в PS. 700 нм 200 нм Роберто Керсеван 24/52

25 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы — Экспериментальная установка в лаборатории 1 Электронная пушка: низкотемпературный катод BaO (1150K) 2 Сетка и отклонение: предотвращение попадания электронов на образец.3 Образец: +18 В. 4 Кварцевое окно: пропускание в нм 100%. 5 Коллимирующая линза: оптимизирована для нм. 6 Оптоволокно: передайте свет от системы к спектрометру. 7 Andor Spectrograph: с камерой CCD (нм). Электронная бомбардировка поверхности нержавеющей стали для проверки испускаемых фотонов и их диапазонов. 7. Спектрограф Andor Shamrock 7. Камера для спектроскопии Andoridus, нм Компьютер 5. Коллимирующая линза 6. Оптоволокно 2. Отклонение 1. Электронная пушка с катодом BaO Излучатель слабого света (1150K) 2.Коллектор 4. Кварцевое окно ee 20 o 2. Сетка 3. Смещение образца + 18V 25/52

26 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы — экспериментальная установка в лаборатории 1 Электронная пушка: низкотемпературный катод из BaO (1150K) 2 Сетка и отклонение: предотвращают попадание электронов на образец. 3 Образец: +18 В. 4 Кварцевое окно: пропускание в нм 100%. 5 Коллимирующая линза: оптимизирована для нм. 6 Оптоволокно: передайте свет от системы к спектрометру.7 Andor Spectrograph: с камерой CCD (нм). Электронная бомбардировка поверхности нержавеющей стали для проверки испускаемых фотонов и их диапазонов. 7. Спектрограф Andor Shamrock 7. Камера для спектроскопии Andoridus, нм Компьютер 5. Коллимирующая линза 6. Оптоволокно 2. Отклонение 1. Электронная пушка с катодом BaO Излучатель слабого света (1150K) 2. Коллектор 4. Кварцевое окно ee 20 o 2. Сетка 3. Образец смещения + 18V 26/52

27 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы — экспериментальная установка в лаборатории 1 Электронная пушка: низкотемпературный катод BaO (1150K) 2 Сетка и отклонение: предотвращение попадания электронов прибыть на образец.3 Образец: +18 В. 4 Кварцевое окно: пропускание в нм 100%. 5 Коллимирующая линза: оптимизирована для нм. 6 Оптоволокно: передайте свет от системы к спектрометру. 7 Andor Spectrograph: с камерой CCD (нм). Электронная бомбардировка поверхности нержавеющей стали для проверки испускаемых фотонов и их диапазонов. 7. Спектрограф Andor Shamrock 7. Камера для спектроскопии Andoridus, нм Компьютер 5. Коллимирующая линза 6. Оптоволокно 2. Отклонение 1. Электронная пушка с катодом BaO Излучатель слабого света (1150K) 2.Коллектор 4. Кварцевое окно ee 20 o 2. Сетка 3. Смещение образца + 18V 27/52

28 Существующие детекторы EC в PS Мотивация этой работы — экспериментальные результаты в лаборатории Спектры катодолюминесценции окисленной нержавеющей стали при энергии электронов 300 ев. (Спектры не скорректированы на отклик системы.) Усреднение 10 измерений с временем интегрирования 60 с с 5 накоплениями. Количество фотонов кажется пропорциональным электронному току на образце.Экспериментально оцененная доходность по ст.ст. ph / el для E = 300 эв. Интенсивность [отсчет за 60 с с 5 накоплением] Окисленная нержавеющая сталь, I (образец) = 3 мкА / 2 мм 2 Исходные данные из 10 измерений Гладкие данные Интенсивность [отсчет за 60 с с 5 накоплением] Окисленная нержавеющая сталь, I (образец) = 9 мкА / 2 мм 2 Необработанные данные 10 измерений Гладкие данные Длина волны [нм] Длина волны [нм] 28/52

29 Краткое описание Введение 1 Введение Светимость: величина для оценки производительности ускорителя Электронное облако (EC): одно из основных ограничений для устранения электронного облака высокой яркости LHC Методы Методы обнаружения электронного облака 2 Существующий монитор электронного облака в PS Мотивация данной работы Разработка 1: Экранированный кнопочный датчик 3 Разработка 1: Экранированный кнопочный датчик 29/52

30 Какой магнит выбрать? Возможные магниты на выбор: LS1 => Хороший момент, чтобы воспользоваться возможностью. Наш предпочтительный MU находится в Секторе 9 Сектор 9: Радиационное охлаждение MU98: рядом с существующим монитором EC в вакуумной камере SS98 Standard из нержавеющей стали.Никогда не ремонтировался. Кабели к 355 / R-017: <50 м. Получите пользу от существующей электроники. Возможно радиальное управление: балку можно сместить в сторону подборщика на 30 мм. Монитор ЕС MU55 SS98 355 / R / 52

31 Вакуумная камера MU98 К вакуумной камере MU98 добавлены два фланца: DN35 для установки экранированного датчика. DN63 для установки оптического окна. DN63: оптическое окно DN35: экранный датчик 31/52

32 Разработка 1: экранированный кнопочный датчик — 3D-дизайн ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИЕМНИК ДЛЯ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ MU98 Коаксиальный разъем BNC St.Стальной рычаг, приваренный к фланцу Контакты с вакуумной камерой Лист из нержавеющей стали толщиной 0,2 мм, приваренный к опоре DN40 CF Фланец с проходным отверстием от LESKER Отверстия Ø1 мм / пространство 2 мм Детали из нержавеющей стали Керамическая деталь из Al2O3 Покрашенная серебром на синих поверхностях 32/52 Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа — приемная решетка ϕ = 1 мм DN40 с проходным отверстием Керамический блок с серебряной окраской Регулируемый рычаг для облегчения введения 33/52

34 Введение Разработка 1. Экранированный датчик кнопочного типа — Датчик 34/52

35 Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа — Обработка сигнала Будет применена аналогичная электроника, используемая для существующего датчика в SS98.Полоса пропускания системы (МГц) в основном ограничена затуханием в кабеле. EC поступил на датчик [мкА] Выходное напряжение [мкВ] Входные и выходные сигналы Считывание сигнала осциллографом Предполагаемое значение EC, поступившее на датчик = 1 мкА Время [с] x 10 6 Время обнаружения напряжения [с] x / 52

36 Разработка 1: Экранированный датчик кнопочного типа — Обработка сигнала: Предыдущие результаты в SS98 25 нс 72 пучка номинального пучка LHC p / b 50 нс 36 пучков номинального пучка LHC сигнал датчика p / b [au] время [с] x 10 6 сигнал захвата [au] время [с] x 10 6 сигнал электронного облака [au] время [с] x 10 6 сигнал электронного облака [au] время [с] x / 52

37 — Входные данные, используемые для оценки количества ожидаемых фотонов 1. Экспериментальный выход электрон-фотонов = 5×10-11 ph / el (нержавеющая сталь) 2. Отражательная способность нержавеющей стали: 20-50% (предположим, 40%) => Коэффициент прилипания = Плотность электронного облака = 1 мкА / мм 2 4. Площадь электронного облака = 8.4×10 2 мм 2 37/52

38 Введение — Моделирование методом Монте-Карло для оценки количества ожидаемых фотонов Выход фотонов равен 1.2% Ожидаемое 1575 фотонов Выход фотонов 8% с покрытием Al / MgF2 Ожидаемые фотоны Покрытие с высоким коэффициентом отражения (85% майларовой фольги с Al / MgF2) Площадь бомбардировки электронами = 8,4×102 мм2 Количество электронов, генерируемых пучком (см. Giovanni & co) = 8,4×102 мм2 x 1e-6 Кл / с мм2 / 1,6e-19c = 5,25×1016 электрон / с Экспериментальный выход излучения = 5×10-11 ф / эл (нержавеющая сталь) Количество фотонов, испускаемых электронами = 2,625×106 фотонов Количество достигаемых фотонов детектор = 1,2% x 2,625×106 фотонов = 3,15×104 фотонов / с. За последние 40-50 мсек. развитие электронного облака PS может быть обнаружено 1575 фотонов! Площадь бомбардировки электронами = 8.4×102 мм2 Количество электронов, генерируемых пучком (см. Giovanni & co) = 8,4×102 мм2 x 1e-6 C / s мм2 / 1,6e-19c = 5,25×1016 электрон / с Экспериментальный выход излучения = 5×10-11 ph / el (нержавеющая сталь ) Количество фотонов, испускаемых электронами = 2,625×106 фотонов Количество фотонов, достигающих детектора = 8% x 2,625×106 фотонов = 2,1×105 фотонов / с В течение последних 40-50 мс можно обнаружить развитие электронного облака PS-фотонов! 38/52

39 — Моделирование Монте-Карло для оценки количества ожидаемых фотонов Выход фотонов 8% с покрытием из Al / MgF 2 Ожидаемые фотоны Количество фотонов, поступающих на окно DN63 Покрытие с высоким коэффициентом отражения (85% майларовой фольги с Al / MgF2) Фотоны, зарегистрированные на кварцевом окне DN63 Площадь электронной бомбардировки = 8.4×10 2 мм 2 Количество электронов, генерируемых пучком (см. Giovanni & co) = 8,4×10 2 мм 2 x 1e-6 C / s мм2 / 1,6e-19c = 5,25×10 16 электрон / с Экспериментальный выход излучения = 5×10-11 ph / el (нержавеющая сталь) Количество фотонов, испускаемых электронами = 2,625×10 6 фотонов Количество фотонов, достигающих детектора = 8% x 2,625×10 6 фотонов = 2,1×10 5 фотонов / с В течение последних 40-50 мс развитие электронного облака фотонов PS можно обнаружить! Выход детектора фотонов по горизонтальной оси по вертикальной оси / 52

40 — Многоканальная пластина — Фотонный умножитель (MCP-PMT) Многоканальный пластинчатый PMT от Photonis выбран из-за сильного магнитного поля (1.2T) Лабораторная установка BI Импульсный лазер f = 1 / 25ns Фильтр Лабораторная измерительная установка для проверки MCP-PMT Photonis MCP-PMT UV-диапазона Высокоскоростной усилитель Hamamatsu Ortec Amplifier + временной дискриминатор (для уменьшения интенсивности лазерного луча) e- / ph x63 Источник питания высокого напряжения -2400 В Источник питания низкого напряжения +15 В Дискриминант 20 мВ Осциллограф LeCroy 2 ГГц 40/52

41 — Схема измерения PS Карта магнитного поля в MU98 MCP-PMT: зависимость направления магнитного поля 41/52

42 — Схема измерения PS Карта магнитного поля в MU98 Магнитное поле в MU98 MCP-PMT: зависимость направления магнитного поля 2 Магнитное поле (T), ось y (м), ось x (м) / 52

43 — Схема измерения PS Схема измерения PS Облако электронов 40 мм 70 мм Облако электронов 40 мм 160 мм Φ = 60 мм Линза 1 f1 = 100 мм Φ = 50 мм 20 мм HV -2400V: BNC1 ZNQCVP-63-NM LV + 15V: BNC2 300 мм 100 мм 50 мм УФ-зеркало в черном ящике Φ = 50 мм L Ens 2 f1 = 40 мм Φ = 50 мм MCP-PMT Туннельный выход PS: BNC3 AMP x R-017 Источник питания высокого напряжения -2400 В Источник питания низкого напряжения +15 В Запуск при C2460 мс в цикле PS Измерение последних 50 мс Осциллограф LeCroy Дискриминатор 2 ГГц 20 мВ 43 / 52

44 — Схема измерения PS Объектив 1: f1 = 100 мм Объектив 2: f2 = 40 мм УФ зеркало Многоканальная пластина PMT Черный ящик, установленный в PS: Главный магнит 98 Усилитель x63 44/52

45 Проект от начала до конца.Сотрудничество с разными людьми из разных групп. Еще предстоит проделать некоторую работу. Доработка тоже нужна. Первая номинальная балка на ПС запланирована на 14 июля. Скоро будут другие результаты / 52

46 Проект от начала до конца. Сотрудничество с разными людьми из разных групп. Еще предстоит проделать некоторую работу. Доработка тоже нужна. Первая номинальная балка на ПС запланирована на 14 июля. Скоро будут другие результаты / 52

47 Проект от начала до конца.Сотрудничество с разными людьми из разных групп. Еще предстоит проделать некоторую работу. Доработка тоже нужна. Первая номинальная балка на ПС запланирована на 14 июля. Скоро появятся и другие результаты / 52

48 Благодарности Этот проект сотрудничал с разными людьми из разных групп, спасибо всем, кто принимал участие в этом проекте. Особая благодарность: Holger, Mounir, Wil, Ivo, Luigi, Phillippe и Paul 2 за всю поддержку экспериментальных установок, как в лаборатории, так и в PS.Мауро, Хосе, Мартон, Даниэль Шёрлинг (TE-MSC), Симоне Джилардони / Гвидо Стербини / Джованни Румоло / Джованни Ядарола (BE-ABP) за все вдохновляющие обсуждения и моделирование, необходимые для этой работы. Энрико Бравин / Маркус Палм / Стефано Маццони (BE-BI), Томас Шнайдер / Тьерри Гис (PH-DT) за обсуждение фото-обнаружения в PS и предоставление их лабораторного оборудования. Чертежному бюро ЦЕРН (Тедди Капелли и Седрик Эймин) и Главной мастерской за их сотрудничество и усилия по проектированию и изготовлению всего нового вакуумного оборудования во время LS1.Спасибо за внимание! и вопросы

49 Изготовление балок запасных слайдов PS h = 42 b.sp. = 50 нс (36 b.) h = 7 b. sp. 330 нс (4-6 сбн) в = 21 сбн. sp. 100 нс (18 б.) H = 84 б.п. = 25 нс (72 б.) Тройное расщепление Двойное разделение двойного пучка Укорочение расщепления 49/52

Изготовление балок ПС с резервным слайдом 50 Введение h = 42 б. 50 нс (36 б.) Ч = 7 б. sp. 330 нс (4-6 сбн) в = 21 сбн. sp. 100 нс (18 б.) h = 84 b.sp. = 25 нс (72 b.) Перед последним разделением пучка электронное облако не ожидается и не наблюдается Тройное расщепление Двойное двойное расщепление расщепление сокращение расщепление 50/52

51 Создание пучка PS на резервном слайде Введение h = 42 б.п. = 50 нс (36 б.) H = 84 б.п. h = 7 = 25 нс (72 б.) б. sp. 330 нс (4-6 сбн) в = 21 сбн. sp. 100 нс (18 б.) Нс 250 Двойное расщепление 40 МГц ВЧ Напряжение [кв] нс Вращение сгустка 50 б.л. 14 нс Время адиабатического сокращения [мс] Тройное расщепление Двойное двойное расщепление двойное сгусток расщепление сокращение расщепление 51/52

52 Изготовление балок с резервным слайдом PS Введение h = 42 b.sp. = 50 нс (36 б.) H = 84 б.п. h = 7 = 25 нс (72 б.) б. sp. 330 нс (4-6 сбн) в = 21 сбн. sp. 100 нс (18 б.) Нс 250 Двойное расщепление ВЧ-напряжение 40 МГц [кв] Ожидаемое и наблюдаемое Е-облако 11 нс Вращение сгустка 50 бар. 14 нс Время адиабатического сокращения [мс] Тройное разделение Двойное разделение с двойным пучком Разделение разделение Укорочение 52/52

позиционно-чувствительный фотодетектор мультисканирования

  • Открыть расширенный поиск
  • Авторизоваться
  • Корпоративные планы
  • Бесплатная пробная версия
  • Авторизоваться
  • Бесплатная пробная версия

Frontiers | Дорожная карта для инфракрасных фотоприемников на основе нанокристаллов

Введение

За последние годы коллоидные квантовые точки (CQD) стали первым приложением массового рынка с их использованием в качестве источников света для дисплеев.Это приложение вызвало еще больший интерес у CQD как на академическом, так и на производственном уровне. Среди новых приложений инфракрасное (ИК) фотодетектирование (Kershaw et al., 2013; Lhuillier and Guyot-Sionnest, 2017) — это область, в которой коллоидные материалы обладают большим потенциалом снижения стоимости, особенно потому, что органические полупроводники часто считаются низкоуровневыми. -дорогие альтернативы обычным полупроводникам, неэффективны в этом диапазоне длин волн.

ИК-обнаружение в настоящее время основывается на датчиках двух типов.Квантовые детекторы основаны на полупроводниковых материалах, поглощающих фотоны. Это могут быть полупроводники с узкой запрещенной зоной (InGaAs в коротковолновом ИК-диапазоне, InSb в средневолновом диапазоне и HgCdTe для средне- и длинноволнового ИК-диапазона) или полупроводниковые гетероструктуры (GaAs / AlGaAs, используемые в инфракрасных фотодетекторах с квантовыми ямами или QWIP и InAs / GaSb в сверхрешетках II типа). Эти технологии являются зрелыми, обладают высокими характеристиками (например, высокая квантовая эффективность, относительно низкий темновой ток, высокая однородность, быстрое время отклика), но страдают от чрезмерной стоимости (типичная ИК-камера стоит 30-100 тысяч евро) и низкой стоимости. Рабочая Температура.В результате доступ к этому типу технологий остается ограниченным для использования в оборонных и научных целях (в основном, в астрономии).

Второй класс ИК-детекторов — это тепловые детекторы, чувствительные к потоку энергии, а не к потоку фотонов. У материалов, используемых для этого типа детекторов, одно из своих физических свойств (обычно электрическое сопротивление) изменяется при поглощении ИК-излучения. Типичными технологиями являются болометры и пирометры. Их принципы работы делают их по своей сути медленнее, чем квантовые устройства, и они имеют более низкую обнаружительную способность (отношение сигнал / шум), чем их аналог квантового детектора.С другой стороны, они могут работать при комнатной температуре, и их стоимость значительно ниже: от 100 до нескольких тысяч евро на матрицу фокальной плоскости (FPA) и от 1 до 10 тысяч евро на камеру.

Чтобы вывести ИК-обнаружение на массовый рынок, необходимо разработать технологию, сочетающую в себе характеристики квантового детектора и низкую стоимость теплового детектора. CQD выглядят как многообещающие кандидаты для достижения этой цели. Помимо перестраиваемого поглощения от ближнего ИК-диапазона до ТГц (Goubet et al., 2018a), есть несколько важных доказательств таких концепций, как фотопроводимость в среднем ИК-диапазоне (Keuleyan et al., 2011), фотодиод с ограничением фона (Guyot-Sionnest and Roberts, 2015) и исследование проблем со стабильностью (Jagtap et al., 2018a) вывели CQD на уровень технологической готовности (TRL) выше 3, что имеет решающее значение для начала отрасли. учитывая новые технологии.

Цель данной статьи намеренно ограничена ИК-обнаружением, что означает, что мы исключили из области обзора любое применение солнечных элементов (Sargent, 2012). С этой точки зрения мы предлагаем дорожную карту основных проблем, которые необходимо решить сообществу, чтобы передать технологию IR CQD на промышленный уровень.

Обсуждение

Основы ИК-обнаружения с использованием нанокристаллов в качестве активного материала

Для начала мы хотели бы обсудить основы преобразования раствора коллоидных нанокристаллов в ИК-сенсор. Были исследованы два типа геометрии: плоская и вертикальная, см. Рисунки 1A, C. Плоскую геометрию, безусловно, проще всего реализовать, потому что эта геометрия гораздо менее чувствительна к качеству пленки (т.е. шероховатость пленки и трещины не приводят к коротким замыканиям в устройстве).Успех этой геометрии также связан с возможностью добавления затвора для создания полевого (фото) транзистора (Talapin and Murray, 2005). Обычно электроды изготавливают на обычной подложке (обычно Si / SiO 2 ). Встречно-штыревые электроды широко используются в качестве стратегии увеличения силы тока. Пленка CQD наносится на эту подложку с использованием таких методов, как нанесение покрытия центрифугированием, литье, нанесение покрытия погружением или нанесение покрытия распылением (Cryer and Halpert, 2018). Как есть, пленка нанокристалла является изолирующей, и этап обмена лигандом необходим для увеличения электронного взаимодействия CQD и достижения фотопроводимости.ИК-экспозиция достигается за счет верхнего бокового освещения. Типичная ВАХ такого планарного фотопроводящего устройства показана на рисунке 1B. Фотосигнал связан с модуляцией наклона кривой ВАХ. Конфигурация полевого транзистора (Lhuillier et al., 2014b) интересна для настройки тока основной несущей и, возможно, для улучшения отношения сигнал / шум. Стробирование обычно достигается за счет использования диэлектрического слоя на подложке или путем нанесения диэлектрика на верхней стороне (Chung et al., 2012) или электролитом (Lhuillier et al., 2014b).

Рисунок 1. (A) Схема фотопроводящего устройства в плоской геометрии. (B) ВАХ фотопроводящего устройства в темноте и при освещении. (C) Схема фотодиода в вертикальной геометрии. TCO, ETL и HTL обозначают соответственно прозрачный проводящий оксид, слой переноса электронов и слой переноса дырок. (D) ВАХ фотодиода в темноте и при освещении.

Второй тип геометрии детектора, который широко изучался, основан на вертикальной геометрии. Типичный пакет слоев основан на прозрачной подложке (стекло в ближнем инфракрасном диапазоне), поверх которой нанесен прозрачный проводящий слой. ITO (оксид индия и олова) и FTO (оксид олова, легированный фторидом) являются наиболее часто используемыми материалами. Затем наносится слой переноса электронов (ETL): наиболее часто используемым материалом для устройств на основе CQD являются неорганические слои из ZnO или TiO 2 .Этот слой обычно необходимо отжигать при высокой температуре, поэтому крайне желательно обрабатывать его как нижний слой (т.е. перед нанесением CQD). На верхнюю часть ETL наносится слой CQD. Типичная толщина этого слоя составляет от 200 до 400 нм. Это значение является компромиссом: более толстый слой может быть желательным для поглощения большего количества света, поскольку в этих условиях поглощается только 10–30% света (Cademartiri et al., 2006; Hens and Moreels, 2012). Однако более толстые слои построить сложно из-за увеличения количества стадий осаждения и обмена лигандом.Кроме того, короткая транспортная диффузионная длина не позволяет собирать фотоносители в более толстые слои. Поверх слоя квантовых точек может быть нанесен слой переноса дырок. МоО 3 интенсивно использовался в случае CQD (Gao et al., 2011; Chuang et al., 2014). Наконец, наносится верхний металлический контакт. Существует множество возможных альтернативных конфигураций описанной выше с инвертированной геометрией, например, комбинация слоев n- и p-типа (Chuang et al., 2014) или конфигурация с изменяемой запрещенной зоной (Kramer et al., 2011), чтобы направлять платежи контактам. В этой вертикальной конфигурации освещение осуществляется через подложку, нижний контакт и ETL. Типичная ВАХ такого фотодиода показана на рисунке 1D. Ключевым преимуществом этой конфигурации является возможность работы устройства с близким к нулевому смещению для уменьшения темнового тока за счет использования встроенного электрического поля диода.

Теперь, когда установлены основы конструкции ИК-детектора на основе CQD, крайне важно напомнить об основных показателях качества, относящихся к ИК-зондированию (Rosencher, 2002).Чувствительность (в A / W) — это первый показатель качества, который преобразует способность активного слоя преобразовывать световой сигнал в электрический сигнал. Эта величина напрямую связана с внешней квантовой эффективностью (эффективностью преобразования падающих фотонов в электрический ток) и внутренней квантовой эффективностью (эффективностью преобразования поглощенных фотонов в электрический ток, другими словами, с внешней квантовой эффективностью, нормированной на поглощение устройства). Одна из ключевых особенностей IR — ограниченное отношение сигнал / шум.Действительно, из-за узкого энергетического перехода в ИК-диапазоне тепловая активация конкурирует с активацией носителей фотонами. Это приводит к темновому току, который может составлять значительную часть общего тока. Важным вкладом темнового тока в шум является его спектральное распределение (в А. Гц −1/2 ). Следовательно, величина, входящая в окончательный показатель качества ИК-детектора, — это обнаруживающая способность (отношение сигнал / шум, выраженное в см. Гц 1/2 .W −1 или Джонс).В настоящее время все убедительные отчеты об измерении шума в массивах нанокристаллов привели к преобладанию шума 1 / f (Lai et al., 2014; Liu et al., 2014; De Iacovo et al., 2017) . Это очень распространенная привычка наблюдать за сообщаемым значением обнаружительной способности, предполагая, что шум ограничен дробовым шумом (в основном потому, что существует аналитическое выражение для дробового шума, а не для шума 1 / f ), однако это приводит к огромному завышению оценки устройства обнаруживаемость.Наконец, еще одним важным показателем, который отличает детекторы от солнечных элементов, является время отклика устройства. Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами фотонных детекторов, очень желательны более быстрые отклики, чем те, которые указаны для тепловых детекторов (≈10 мс). Далее мы обсуждаем современные результаты и ожидаемые целевые показатели производительности для диапазонов длин волн SWIR, MWIR и LWIR. Теперь мы обсудим основные проблемы, которые необходимо решить, чтобы вывести технологию CQD на промышленный уровень.Мы отсортировали их по трем основным категориям: (i) материал, (ii) устройство и (iii) проблемы интеграции камеры, см. Рис. 2.

Рис. 2. Иллюстрация основных проблем, которые необходимо решить, чтобы довести область инфракрасных нанокристаллов до зрелого уровня для получения тепловизионных изображений.

Материальные проблемы

ИК-поглощение: межзонный и внутризонный переходы

Среди всех критериев для создания ИК-детектора дизайн ИК-поглощения представляется первой проблемой, которую необходимо решить.Перспективными для приложений являются три диапазона длин волн: коротковолновый, средний и длинный инфракрасный.

Коротковолновый инфракрасный (SWIR) простирается от 800 нм до 1,7 мкм и до 2,5 мкм для расширенного SWIR. В этом диапазоне цель детекторов на основе CQD — предложить альтернативу InGaAs. Как указывалось ранее, эти технологии обеспечивают высочайший уровень производительности. Однако их стоимость, не будучи чрезмерно высокой, остается намного выше сопоставимых технологий в видимом диапазоне. Более того, для такой зрелой технологии перспективы снижения затрат ограничены.В этом диапазоне длин волн приложениями обычно являются активная визуализация, визуализация с использованием ночного свечения и визуализация тканей. Среди возможных коллоидных материалов, которые можно использовать в этом диапазоне длин волн, два материала достигли достаточно большой зрелости: халькогениды свинца (Sargent, 2008) (в основном PbS и PbSe) и HgTe (Коваленко и др., 2006; Кеулеян и др. , 2011; Грин, Мирзай, 2018). В этих материалах ИК-поглощение достигается за счет межзонных переходов, см. Рис. 3А.

Рисунок 3.(A – C) — схемы для межзонных, внутризонных и плазмонных переходов в нанокристаллах соответственно. (D) Спектры поглощения нанокристаллов халькогенидов ртути (HgSe и HgTe) различных размеров.

В средневолновом инфракрасном диапазоне (MWIR: 3–5 мкм) излучение черного тела от объектов с комнатной температурой начинает преобладать над отражением других источников света, что открывает поле для тепловидения. В этом диапазоне HgTe — безусловно, наиболее изученный материал (Коваленко и др., 2006; Keuleyan et al., 2011; Tang et al., 2016) благодаря настраиваемому межполосному ИК-переходу, см. Рисунок 3D. Другой стратегией достижения низкоэнергетического перехода в MWIR является использование внутризонных переходов (см. Рисунок 3B; Deng et al., 2014; Jagtap et al., 2018b; Kim et al., 2018). В этом случае переход происходит на первых уровнях зоны проводимости, поэтому необходимы легированные полупроводники. Опять же, халькогениды ртути являются наиболее изученными материалами для фотодетектирования благодаря самодопированию (Deng et al., 2014; Jagtap et al., 2018b; Ким и др., 2018).

Длинноволновый инфракрасный (LWIR: 5–30 мкм) является оптимальным диапазоном для получения тепловизионных изображений объектов при комнатной температуре, поскольку их максимум излучения черного тела составляет около 10 мкм. Обращение к такой низкой энергии с помощью межзонных переходов является чрезвычайно сложной задачей, поскольку энергия удержания должна быть настолько малой, что требуемый размер нанокристаллов становится несовместимым с коллоидной стабильностью или монодисперсностью. Внутрибендные (Park et al., 2018) и плазмонные переходы (Luther et al., 2011; Agrawal et al., 2017; Coughlan et al., 2017; Аскари и др., 2018; Liu et al., 2018) (достигается при более высоком уровне легирования) в легированных нанокристаллах, см. Рисунок 3C, интересны по двум причинам: (i) обращение к длинным волнам от MWIR до THz-диапазона при сохранении коллоидной стабильности материала. и (ii) потому что легирование нанокристаллов может не ограничиваться токсичным материалом.

Химия поверхности

Помимо синтеза нанокристаллов, контроль химического состава поверхности является важным шагом на пути к созданию тонких фотопроводящих пленок.Первоначальные длинные закрывающие лиганды, которые обеспечивают рост нанометрового размера и сохраняют коллоидную стабильность, необходимо удалить с поверхности, чтобы увеличить взаимодействие между ККТ (то есть уменьшить туннельный барьер между ККТ) и получить разумную подвижность носителей. Для большинства устройств, о которых сообщалось, обмен лиганда остается основанным на твердотельном обмене лигандом (т.е. выполняется на пленке), обычно с использованием этандитиола в качестве кэпирующего лиганда (Lhuillier et al., 2013). Это, несомненно, ограничивает подвижность носителей в диапазоне 10 −3 см 2 V −1 с −1 и, вероятно, связанный с ним фотоотклик.Введение неорганических лигандов, таких как As 2 S 3 , представляется интересным путем для получения более высокой подвижности пленки (Lhuillier et al., 2013; Yakunin et al., 2014; Tang et al., 2016; Cryer and Halpert, 2018). Тем не менее, повышение мобильности так же важно, как и сохранение хорошей пассивации поверхности CQD, особенно для конструкции фотодиода, и в этом направлении необходимо проделать большую работу. В случае приготовления чернил CQD подвергается обмену лиганда и суспендируется в полярном растворителе с высокой температурой кипения, что вызывает некоторые вопросы относительно приготовления пленки.Действительно, большинство устройств в настоящее время изготавливается методом капельного литья (Tang et al., 2018) или методом центрифугирования. Последний метод трудно реализовать с использованием растворителя с высокой температурой кипения, помимо чрезвычайно низкой эффективности (т.е. 90% материала теряется). Среди альтернативных методов также упоминалось нанесение покрытия погружением (Chernomordik et al., 2017) и покрытие распылением (Chen et al., 2013; Wang et al., 2015; Cryer and Halpert, 2018). Выбор данного метода также влияет на приготовление чернил QD: низкие концентрации используются для капельного нанесения (10 мг / мл), в то время как более высокие концентрации (50 мг / мл) используются для центрифугирования в неполярном растворителе и даже выше. в случае нанесения покрытия центрифугированием из полярного растворителя.Вероятно, не существует идеального метода осаждения, и каждая вовлеченная команда должна заплатить цену трудоемкой оптимизации на этом этапе.

Другая основная проблема, связанная с использованием халькогенидов ртути, связана с мягкостью материала. В результате любой этап отжига (для повышения подвижности или как часть процесса литографии) приводит к спеканию нанокристаллической пленки. Это вызывает увеличение эффективного радиуса ККТ, что расширяет границу поглощения и, что еще хуже, резко увеличивает темновой ток (за счет уменьшения эффективной запрещенной зоны).Таким образом, объекты ядро-оболочка с внешним материалом, способным выдерживать температуры около 160 ° C (т.е. типичная температура обжига литографического резиста, такого как полиметилметакрилат) без агрегации, будут представлять наибольший интерес. Введение структуры ядро-оболочка может также привести к более долгоживущим фотоносителям, что очень желательно для фотодетектирования. Первое исследование в этом направлении было проведено путем объединения материалов HgTe и HgSe в гетероструктурированных нанокристаллах (Goubet et al., 2018b).Однако выращивание такой оболочки остается довольно сложной задачей, поскольку соединения HgX выращиваются при низкой температуре (обычно 100 ° C), в то время как обычные материалы оболочки синтезируются при высокой температуре (200 ° C и более). В настоящее время все зарегистрированные материалы ядро-оболочка на основе HgX основаны на процессе осаждения коллоидно-атомного слоя при комнатной температуре (C-ALD) (Robin et al., 2016; Shen and Guyot-Sionnest, 2016; Sagar et al., 2017), что представляется неоптимальной процедурой (Lhuillier et al., 2014a). Необходимо будет разработать метод выращивания скорлупы, специфичный для мягких материалов.

Токсичность материала

Токсичность материалов, вероятно, является одной из самых сложных проблем. Как указывалось ранее, поле остается за счет халькогенидов свинца и ртути, которые фактически являются теми же материалами, что и те, которые используются в современных технологиях обнаружения инфракрасного излучения. Несомненно, внедрение малотоксичных соединений станет прорывом в этой области. В видимом диапазоне длин волн большие усилия были направлены на синтез InP как альтернативы CdSe в качестве источника света для дисплея.С другой стороны, коллоидные материалы III-V с узкой запрещенной зоной (InAs Franke et al., 2016; Grigel et al., 2016; Srivastava et al., 2018 и InSb Maurice et al., 2013; Chang et al., 2014 ) остаются плохо продуманными, со слишком ограниченным количеством отчетов, и ни один из них не посвящен ИК-обнаружению, кроме SWIR. Первая проблема связана с более ковалентным характером материалов III-V по сравнению с материалами II-VI. В результате необходимо использовать больше реакционноспособных предшественников, что приводит к более высокой степени сложности синтеза.Во-вторых, доступность стабильных предшественников пниктогена уменьшается для материалов с узкой запрещенной зоной в основном из-за увеличения их атомного радиуса.

Узкозонные межзонные переходы с большей вероятностью будут наблюдаться при использовании тяжелых элементов (более высокое значение Z сопровождается более плотной плотностью состояний, которые с большей вероятностью представляют узкую запрещенную зону вблизи уровня Ферми). Однако материалы в нижней части таблицы Менделеева также токсичны. Безусловно, переход к внутризонному переходу — многообещающий путь к достижению ИК-обнаружения без тяжелых металлов.Тем не менее, эта стратегия в настоящее время ограничена MWIR и LWIR, а уровень производительности далеко не так хорош, как у их межполосных аналогов. Ag 2 Se, благодаря своей спектральной близости к HgSe, недавно вызвал некоторый интерес к обнаружению MWIR (Sahu et al., 2012; Park et al., 2018; Qu et al., 2018), хотя характеристики обнаружения пока остаются на несколько порядков ниже, чем сообщалось для соединений HgX.

Другой класс материалов, которые могут показаться многообещающими для достижения инфракрасного поглощения, — это сильно легированные полупроводники с плазмонным поглощением в инфракрасном диапазоне.Обычно это касается халькогенидов меди (Dorfs et al., 2011; Kriegel et al., 2012; Coughlan et al., 2017), оксидных наночастиц (Kanehara et al., 2009; Buonsanti et al., 2011; Della Gaspera et al., 2013; Ghosh et al., 2014; Schimpf et al., 2015; Runnerstrom et al., 2016; Tandon et al., 2017) или легированный кремний (Gresback et al., 2014; Zhang et al., 2017). Плазмонные наночастицы, как правило, имеют гораздо большее поперечное сечение (≈10 −13 см −2 / частица), чем сечение, связанное с межзонными или внутризонными переходами (10 −15 -10 −14 см −2 / диапазон частиц).Однако их очень короткоживущий фотоноситель (<1 пс) может сильно уравновесить усиление поглощения. Исследование (фото) транспортных свойств в этих материалах требует дальнейшего развития.

Масштабирование для производства

Когда дело доходит до применения на массовом рынке, в первую очередь следует задуматься о том, сколько материала потребуется. Предположим, цель состоит в том, чтобы предоставить каждому автомобилю, продаваемому в Европе (≈20 миллионов единиц в год), ИК-датчик, предназначенный для помощи при вождении в ночное время.Типичное устройство будет иметь размер 1 см 2 для толщины в несколько сотен нм (400 нм для расчета). Предположим далее плотность 10 для материала с пленочным наполнением 0,64, что соответствует случайно плотно упакованной пленке. Более того, мы можем объяснить низкую эффективность метода осаждения, такого как нанесение покрытия методом центрифугирования, при котором 90% материала расходуется впустую. Таким образом, для одного устройства требуется 2,6 мг активного материала. Это означает, что для насыщения целевого рынка потребуется около 50 кг HgTe.Стоит отметить, что на самом деле эта сумма довольно небольшая, и вопрос о поставке материалов не возникает. Это сильно контрастирует с применением солнечных элементов, где необходимы гораздо более крупные устройства (m 2 ) и где, следовательно, поставка материалов (в частности, Te, дефицит поставок которого ожидается через 10 лет) и токсичность становятся критическими проблемами.

О крупномасштабном синтезе квантовых точек (Protière et al., 2011) и, в частности, халькогенидов ртути в масштабе 10 г уже сообщалось (Lhuillier et al., 2016). Таким образом, для достижения годового производства 50 кг потребуются партии, достигающие нескольких 100 г. Вероятно, это шаг, на котором малые и средние компании, производящие нанокристаллы, должны быть привлечены к использованию ноу-хау, разработанного для материалов с широкой запрещенной зоной (например, CdSe и InP).

Что касается стоимости производства материалов, то недавно (Jean et al., 2018) было оценено, что стоимость изготовления CQD PbS составляет от 10 до 60 долларов за грамм. Таким образом, даже если предположить, что стоимость изготовления HgTe будет в верхнем диапазоне этой оценки, стоимость активного материала на одно устройство остается чрезвычайно низкой (0.15 $). Можно сделать вывод, что, в отличие от солнечных батарей, стоимость материала здесь не является ограничивающим фактором.

Проблемы с устройством

Электронная структура и выравнивание полос

Как указывалось ранее, наиболее перспективными коллоидными материалами для ИК-детектирования являются халькогениды свинца и ртути. Знания об электронной структуре этих материалов остаются ограниченными по сравнению с теми, которые были получены для кремния и полупроводников AIIIBV, и большинство параметров электронной структуры известны с ограниченной точностью даже для больших размеров.Находясь в коллоидной форме, мы добавляем к этому квантовому ограничению зависимость электронного спектра от химии поверхности и поверхностных ловушек. В результате электрическая картина нашего активного материала остается довольно размытой. Следовательно, сложно спроектировать устройство с тщательно оптимизированным выравниванием полос и омическими контактами. Необходимо будет приложить значительные усилия, чтобы предоставить сообществу данные об электронной структуре инфракрасных коллоидных материалов на достаточно систематической основе (материал, размер, химический состав поверхности).О первых результатах в этом направлении сообщалось с использованием комбинации ИК-спектроскопии и электрохимии (Chen and Guyot-Sionnest, 2017) или измерений фотоэмиссии (Martinez et al., 2017), но потребуется больше.

Критичным является исследование динамики носителей заряда в этих материалах с узкой запрещенной зоной, особенно для понимания ограничений текущих характеристик. Методы, основанные на оптической спектроскопии с временным разрешением, трудно переносить в ИК-области из-за низкой эффективности фотолюминесценции ИК-нанокристаллов и из-за менее совершенных оптических установок в ИК-диапазоне.Потребуется разработка альтернативных методов. Опять же, некоторые предварительные результаты в этом направлении были получены с использованием фотолюминесценции с временным разрешением (Keuleyan et al., 2014b), временного поглощения (Melnychuk and Guyot-Sionnest, 2018), фотоэмиссии с временным разрешением (Spencer et al., 2013; Livache et al. ., 2017) и измерения нестационарного фототока (Gao et al., 2016; Livache et al., 2018; Martinez et al., 2018). Тем не менее, данных недостаточно, чтобы описать весь диапазон динамики в этом материале от оже-рекомбинации в коротком временном масштабе до долгоживущих ловушек в большом временном масштабе.

Благодаря пониманию электронного спектра, целью будет разработка новых фотодиодов с учетом специфики ИК и коллоидного материала. В то время как в SWIR использование концепции, разработанной для солнечных элементов, все еще было разумным предположением (Jagtap et al., 2018a), это больше не относится к более длинным волнам. Необходимо будет разработать альтернативы токовым электронам (в основном ZnO и TiO 2 ) и слоям переноса дырок (MoO 3 ). Это еще более верно для реализации концепции униполярного барьера, роль которого состоит в том, чтобы избирательно пропускать один носитель, предотвращая циркуляцию другого носителя.Эта концепция широко использовалась для полупроводниковых ИК-сенсоров III-V и II-VI (White, 1987; Savich et al., 2011, 2013), но остается малоиспользуемой в корпусах или устройствах на основе CQD. Тем не менее, это может быть трудоемким процессом, потому что хрупкость IR CQD, вероятно, потребует разработки специального слоя переноса носителей, легирование которого и выравнивание полосы необходимо будет точно настроить и экспериментально определить.

Характеристики устройства

Поскольку основной целью этой дорожной карты является разработка эффективных устройств ИК-зондирования, безусловно, стоит определить, какой уровень характеристик представляется разумной целью для достижения коллоидных ИК-детекторов в каждом указанном диапазоне длин волн.

SWIR

Для длин волн до 1,7 мкм основным конкурентом является технология InGaAs, производительность которой, опять же, маловероятна. Таким образом, CQD кажутся многообещающими для (i) снижения стоимости и (ii) расширения диапазона длин волн в сторону так называемого расширенного SWIR (длина волны отсечки 2,5 мкм) (Jia et al., 2018). InGaAs удалось добиться чрезвычайно низкого темнового тока (<20 фА при 20 ° C для пикселя 15 мкм). Поскольку описанные до сих пор устройства на основе CQD не достигают таких низких плотностей темнового тока, сценарии работы с высоким потоком фотонов кажутся более подходящими.Обычно это относится к активной визуализации (Geyer et al., 2013), обнаружению пламени (Iacovo et al., 2017) и визуализации биологических тканей, для которых необходимо достаточно быстрое обнаружение (менее миллисекунды являются обязательными, а мкс, вероятно, более подходящей целью ) и уже сообщалось (Lhuillier et al., 2013). Также обратите внимание, что в SWIR необходимо обеспечить работу при комнатной температуре или, по крайней мере, выше точки замерзания воды, чтобы сохранить дешевый характер устройства. Поскольку этот диапазон длин волн довольно легко достичь с помощью CQD PbS, и из-за относительно простой характеристики устройства на таких длинах волн, устройства с очень высокими характеристиками (до kA.W -1 для чувствительности и обнаружения, достигающей 10 13 Джонса на 1,4 мкм) (Якунин и др., 2014). Демонстрация устройства также включает системы визуализации (Calvez et al., 2011; Klem et al., 2015).

MWIR

В этом диапазоне целевыми приложениями являются тепловидение (Tang et al., 2018) и газовое зондирование (Chen et al., 2017). Современные устройства формирования изображений на основе массивов (обычно на основе InSb и HgCdTe) в настоящее время не имеют дорожной карты для рабочих температур выше 180 ° C.Это четко ставит первую цель. В рамках сохранения низкой стоимости, вероятно, предполагается, что на самом деле следует использовать только охлаждение Пельтье, что приведет к достижению целевой рабочей температуры около 250 К. Недавно сообщалось о снижении эффекта Оже (Melnychuk and Guyot-Sionnest, 2018) в CQD HgTe по сравнению с их Объемный эквивалент HgCdTe вселяет большие надежды на достижение этой цели. С точки зрения характеристик, обнаруживающая способность в нескольких 10 9 Джонсов при комнатной температуре и достигающая 10 10 Джонса при 250 K является четкой целью, которая выведет технологии на основе CQD выше, чем можно достичь с помощью термодатчиков.В этом году отмечены огромные успехи в этом направлении. Сюда входят чувствительность выше 1 AW −1 (Tang et al., 2018), обнаружительная способность выше 10 9 Jones при комнатной температуре (Cryer and Halpert, 2018) и NETD (разница температур, эквивалентная шуму) до 14 мК (Tang и др., 2018). В MWIR сложность устройства значительно отстает от того, что было достигнуто в SWIR с помощью всего нескольких фотодиодов (Guyot-Sionnest and Roberts, 2015; Ackerman et al., 2018) и только одного отчета по интеграции массива фокальной плоскости (Buurma et al. al., 2016).

LWIR

Когда начинают использоваться длинные волны (8 мкм и более), количество зарегистрированных устройств быстро падает (Keuleyan et al., 2014a). Следовательно, становится трудно установить некоторые цели производительности. Одна ключевая трудность в этом диапазоне длин волн связана с тем, что маловероятно, что можно будет достичь некриогенных рабочих температур. Таким образом, снижение стоимости, вызванное CQD, не так важно, как в MWIR. Поскольку рабочая температура обычной ИК-камеры в диапазоне 8–12 мкм составляет около 90 К, вполне вероятно, что рабочая температура для устройства на основе CQD около 150 К будет желательной, с обнаружительной способностью, остающейся выше 10 10 Джонс.Сохранение быстрого отклика также является ключевым аспектом для конкуренции с болометрами. Что касается диапазона ТГц, то в настоящее время нет доступных данных.

Геометрия устройства и новые стратегии

Среди текущих трудностей, связанных с коллоидными материалами, остается одно ключевое ограничение, связанное с короткой длиной диффузии носителей (обычно от 50 до 100 нм), которая меньше типичной длины поглощения (около 10 мкм Lhuillier et al., 2012 для края полосы в MWIR) из-за низкой мобильности несущей.Другими словами, фотогенерируемые носители собираются только вблизи электродов, в то время как большая часть пленки приводит к фотогенерированным зарядам, которые в конечном итоге захватываются. В этом смысле необходимы стратегии по усилению взаимодействия света и вещества. Цель этой стратегии — сконцентрировать падающее электромагнитное поле на тонком оптически поглощающем слое ККТ. Сообщалось о некоторых ранних результатах с введением наностержней коллоидного золота (Chen et al., 2014) или резонаторов (Yifat et al., 2017; Tang et al., 2018). Развитие такого плазмонного резонанса также использовалось для получения поляризованного излучения и системы визуализации (Le-Van et al., 2016; Yifat et al., 2017).

Еще одна интересная разработка, о которой сообщалось, относится к конструкции многоцветных детекторов. Сюда входят датчики видимого диапазона и MWIR (Lhuillier et al., 2014b), MWIR / LWIR (Tang et al., 2016) и MWIR / MWIR (Cryer and Halpert, 2018). Однако остается неясным, совместима ли двухцветная технология с низкой стоимостью изготовления.

Наконец, стоит упомянуть стратегию, которая изучалась в течение последних 5 лет для повышения фотоотклика устройства, — это соединение нанокристаллов с 2D-материалом. Графен был исследован первым. Сообщалось о гигантской чувствительности (10 7 AW -1 ) (Konstantatos et al., 2012; Sun et al., 2012), но эта концепция оказалась неудачной, поскольку темновой ток был даже больше, чем в обычной пленке CQD. . Затем эта концепция была пересмотрена путем замены графена на MoS 2 , чтобы ввести зазор и уменьшить темновой ток.Одновременно поглощение было перенесено с телекоммуникационного диапазона на более длинные волны за счет замены ККТ PbS нанокристаллами HgTe (Huo et al., 2017). Эта стратегия по-прежнему страдает от двух основных ограничений: быстрое насыщение оптического отклика (чувствительность велика только при нулевом потоке фотонов) и большие эффекты памяти (т. Е. Длительное время отклика).

Матрица в фокальной плоскости

Уменьшение размера пикселей и связь со схемой считывания

Когда дело доходит до построения массива фокальной плоскости, имеет значение размер пикселя.Большинство современных устройств, описанных в литературе, основаны на микросхеме с несколькими отдельными устройствами, каждое из которых обычно имеет площадь около 1 мм 2 . Когда такой размер слишком мал в случае солнечных элементов, где требуется m 2 , он также слишком велик для использования в камерах, где пиксель в идеале должен быть чуть выше целевой длины волны для улучшения качества изображения. Современные ИК-технологии представляют размеры пикселей в диапазоне от 10 до 50 мкм. Эти значения фактически ограничены технологией и, более конкретно, гибридизацией индиевого выступа со схемой считывания, которая становится очень сложной для размеров менее 10 мкм.В этом смысле здесь есть реальная возможность для квантовых точек (Malinowski et al., 2017). Поскольку активный слой может быть непосредственно нанесен на схему считывания CMOS, демонстрация размеров пикселей менее 10 мкм принесет CQD существенное преимущество. Тем не менее, это еще предстоит продемонстрировать, а также поднимает новые вопросы, такие как возможность создания крупномасштабных однородных пленок с одновременным предотвращением перехода пикселей. В гипотезе, согласно которой оптическое соединение между пикселями не позволит использовать непрерывную пленку из CQD, пленка должна быть протравлена ​​для эффективного разделения пикселей (Lhuillier et al., 2016). В этом случае материал должен будет выдержать этап литографии (то есть высокотемпературное воздействие и воздействие растворителя).

Стабильность и инкапсуляция

Долгосрочная стабильность устройства на основе CQD — это проблема, которая в основном замалчивается. Принято считать, что стабильность ККТ выше, чем у органических материалов, однако данных по этому вопросу явно недостаточно. Вероятно, поглощение является гораздо более надежным свойством, чем фотолюминесценция, тем не менее халькогениды свинца окисляются и быстро приобретают оболочку PbO, в то время как халькогениды ртути также чувствительны к воздуху (Lhuillier et al., 2013; Jagtap et al., 2018a), даже если точный механизм остается неясным. Для решения этого вопроса можно выбрать два пути: либо настройка химического состава поверхности, чтобы сделать CQD стабильными на воздухе, либо обработка материала в безвоздушных условиях с последующей инкапсуляцией устройства на основе CQD под защитным слоем. Обработка CQD в перчаточном ящике стала более или менее обычной процедурой на местах. Вопросу инкапсуляции посвящено гораздо меньше работы. Безусловно, концепции из области органической электроники и солнечных элементов на основе CQD (Tan et al., 2017) можно использовать повторно. Это включает осаждение инкапсулирующих полимеров, таких как CYTOP, ALD (осаждение атомного слоя), осаждение толстого слоя оксида алюминия (Ihly et al., 2011) или шелушение наночастиц (Durmusoglu et al., 2017). Тем не менее, очень важно учитывать, что современные материалы PbX и HgX синтезируются при низкой температуре (<150 и <100 ° C, соответственно) и что их обработка при температурах выше, чем температура их роста, несомненно, приведет к значительному спеканию и связанным с ним рост темнового тока.В результате необходимо разработать специальные низкотемпературные методы. Недавно (Jagtap et al., 2018a) сообщили о низкотемпературном осаждении комбинации водонепроницаемых (PMMA и PVDF) и кислородонепроницаемых (PVA) слоев, что привело к стабильности в течение как минимум 3 месяцев. Это сопоставимо со стабильностью, полученной для солнечного элемента на основе ККТ PbS (Chuang et al., 2014). Для подтверждения потенциала технологии необходимо будет провести более длительное исследование стабильности (по крайней мере, до 1 года) в реальных условиях эксплуатации.

Заключение

Благодаря 10 годам интенсивных исследований, ИК-ККТ, несомненно, достигли такого уровня зрелости, когда их можно рассматривать как возможную альтернативу историческим полупроводникам для ИК-датчиков. Основные достижения включают полную настраиваемость поглощения в ИК диапазоне, фотодиод BLIP, демонстрацию матрицы фокальной плоскости на основе CQD как в SWIR, так и в MWIR диапазоне. Мы предварительно перечислили основные технологические проблемы, которые еще предстоит решить, чтобы полностью передать эту технологию в промышленность.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

EL благодарит поддержку ERC, начиная грант blackQD (грант № 756225).Мы признательны за использование чистых помещений Centrale de Proximité Paris-Center. Работа поддержана регионом Иль-де-Франс в рамках проекта DIM Nano-K (грант dopQD). Эта работа была поддержана французскими государственными фондами, управляемыми ANR в рамках программы Investissements d’Avenir под номером ANR-11-IDEX-0004-02, а точнее в рамках Cluster of Excellence MATISSE, а также грантом IPER- нано2. NG и JR благодарят Nexdot за финансирование постдокументации.Мы благодарим Н. Пере-Лаперна, А. Неделку и Ж.-Л. Reverchon за ценные отзывы о рукописи.

Список литературы

Акерман М. М., Тан X. и Гайо-Сионнест П. (2018). Быстрые и чувствительные средневолновые инфракрасные фотодетекторы на коллоидных квантовых точках. ACS Nano 12, 7264–7271. DOI: 10.1021 / acsnano.8b03425

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Агравал А., Джонс Р. В. и Миллирон Д. Дж. (2017). Управление локализованными поверхностными плазмонными резонансами в нанокристаллах оксидов металлов. Annu. Rev. Mater. Res. 47, 1–31. DOI: 10.1146 / annurev-matsci-070616-124259

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аскари, С., Мариотти, Д., Штер, Дж. Э., Бенедикт, Дж., Керауди, Дж., И Хельмерссон, У. (2018). Перестраиваемые локализованные плазмоны среднего инфракрасного диапазона с низкими потерями в нанокристаллах сильно вырожденного InN. Nano Lett. 18, 5681–5687. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b02260

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Буонсанти, Р., Ллордес, А., Алони, С., Хелмс, Б.А., и Миллирон, Д. Дж. (2011). Настраиваемое поглощение инфракрасного излучения и видимая прозрачность нанокристаллов коллоидного оксида цинка, легированного алюминием. Nano Lett. 11, 4706–4710. DOI: 10.1021 / nl203030f

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Буурма К., Пимпинелла Р. Э., Чиани А. Дж., Фельдман Дж. С., Грейн К. Х., Гайо-Сионнест П. (2016). «MWIR-визуализация с помощью недорогих коллоидных пленок с квантовыми точками», в Optical Sensing, Imaging, and Photon Counting: Nanostructured Devices and Applications 2016 (Сан-Диего, Калифорния: Международное общество оптики и фотоники), 993303.DOI: 10.1117 / 12.2239986

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кадемартири, Л., Монтанари, Э., Калестани, Г., Мильори, А., Гуальярди, А., и Озин, Г. А. (2006). Коэффициенты экстинкции квантовых точек PbS в зависимости от размера. J. Am. Chem. Soc. 128, 10337–10346. DOI: 10.1021 / ja063166u

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кальвез, С. Л., Бурвон, Х., Канаан, Х., Гатта, С. М.-Д., Филиппот, К., и Рейсс, П. (2011).«Обеспечение возможности получения изображений в ближнем инфракрасном диапазоне при комнатной температуре с использованием квантовых точек» в Инфракрасные датчики, устройства и приложения; и Single Photon Imaging II , (Сан-Диего, Калифорния: Международное общество оптики и фотоники) 815506. doi: 10.1117 / 12.893094

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чанг, А. Ю., Лю, В., Талапин, Д. В., и Шаллер, Р. Д. (2014). Динамика носителей в коллоидных нанокристаллах антимонида индия с большими квантовыми размерами. ACS Nano 8, 8513–8519.DOI: 10.1021 / nn5031274

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, М., Лу, Х., Абдельазим, Н. М., Чжу, Ю., Ван, З., Рен, В. и др. (2017). Фототранзистор на основе квантовых точек теллурида ртути обеспечивает высокочувствительное фотодетектирование при комнатной температуре на длине волны 2000 нм. ACS Nano 11, 5614–5622. DOI: 10.1021 / acsnano.7b00972

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, М., Шао, Л., Кершоу, С. В., Ю, Х., Ван Дж., Рогач А. Л. и др. (2014). Усиление фототока фотодиодов с квантовыми точками HgTe за счет плазмонных структур золотых наностержней. ACS Nano 8, 8208–8216. DOI: 10.1021 / nn502510u

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, M., Yu, H., Kershaw, S.V, Xu, H., Gupta, S., Hetsch, F., et al. (2013). Быстрые, устойчивые к воздуху инфракрасные фотоприемники на основе водных квантовых точек HgTe, нанесенных методом напыления. Adv. Funct. Mater. 24, 53–59. DOI: 10.1002 / adfm.201301006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Черномордик Б. Д., Маршалл А. Р., Пач Г. Ф., Лютер Дж. М. и Берд М. К. (2017). Протоколы изготовления солнечных элементов на квантовых точках. Chem. Mater. 29, 189–198. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.6b02939

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чуанг, К. Х., Браун, П. Р., Булович, В., и Бавенди, М. Г. (2014). Повышенная производительность и стабильность солнечных элементов с квантовыми точками благодаря технологии выравнивания полос. Nat. Mater. 13: 796. DOI: 10,1038 / nmat3984

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чанг, Д. С., Ли, Дж .-С., Хуанг, Дж., Наг, А., Итуррия, С., и Талапин, Д. В. (2012). Низковольтные, свободные от гистерезиса транзисторы с высокой подвижностью из полностью неорганических коллоидных нанокристаллов. Nano Lett. 12, 1813–1820. DOI: 10.1021 / nl203949n

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кофлан, К., Ибаньес, М., Доброжан, О., Сингх, А., Кэбот, А., и Райан, К. М. (2017). Составные нанокристаллы халькогенида меди. Chem. Ред. 117, 5865–6109. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.6b00376

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крайер, М. Э., и Хальперт, Дж. Э. (2018). Спектральное разрешение 300 нм в средней инфракрасной области благодаря надежным, гибким устройствам с коллоидными квантовыми точками с высокой чувствительностью при комнатной температуре. САУ Фотон. 5, 3009–3015. DOI: 10.1021 / acsphotonics.8b00738

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Де Яково, А., Венеттаччи, К., Колас, Л., Скопа, Л., и Фолья, С. (2017). Шумовые характеристики фотоприемников на коллоидных квантовых точках PbS. Заявл. Phys. Lett. 111: 211104. DOI: 10.1063 / 1.5005805

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Della Gaspera, E., Bersani, M., Cittadini, M., Guglielmi, M., Pagani, D., Noriega, R., et al. (2013). Покрытия ZnO, легированные галлием, обработанные при низких температурах, из коллоидных красок. J. Am. Chem. Soc. 135, 3439–3448. DOI: 10.1021 / ja307960z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Dorfs, D., Härtling, T., Miszta, K., Bigall, N. C., Kim, M. R., Genovese, A., et al. (2011). Обратимая перестраиваемость плазмонного резонанса валентной зоны ближнего инфракрасного диапазона в нанокристаллах Cu2 – xse. J. Am. Chem. Soc. 133, 11175–11180. DOI: 10.1021 / ja2016284

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дурмушоглу, Э.Г., Йылдижан, М. М., Гулгун, М. А., Ягчи Ачар, Х. (2017). Получение небольших стабильных квантовых точек PbS / CdS путем катионного обмена при комнатной температуре с последующими процессами низкотемпературного отжига. J. Phys. Chem. С 121, 25520–25530. DOI: 10.1021 / acs.jpcc.7b06153

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Франке Д., Харрис Д. К., Чен О., Брунс О. Т., Карр Дж. А., Уилсон М. В. и др. (2016). Непрерывный инжекционный синтез квантовых точек арсенида индия, излучающих в коротковолновом инфракрасном диапазоне. Nat. Commun. 7: 12749. DOI: 10.1038 / ncomms12749

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, Дж., Нгуен, С. К., Бронштейн, Н. Д., и Аливисатос, А. П. (2016). Высокоскоростные инфракрасные фотодетекторы с квантовыми точками, обработанные на основе решений, с высокой квантовой эффективностью. САУ Фотон. 3, 1217–1222. DOI: 10.1021 / acsphotonics.6b00211

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, Дж., Перкинс, К. Л., Лютер, Дж. М., Ханна, М.C., Chen, H.-Y., Semonin, O.E., et al. (2011). Оксид переходного металла n-типа как слой удаления дырок в солнечных элементах с квантовыми точками PbS. Nano Lett. 11, 3263–3266. DOI: 10.1021 / nl2015729

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гейер, С. М., Шерер, Дж. М., Яворски, Ф. Б., и Бавенди, М. Г. (2013). Мультиспектральная визуализация с помощью люминесцентного сдвига вниз с коллоидными квантовыми точками. Опт. Mater. Экспресс 3, 1167–1175. DOI: 10.1364 / OME.3,001167

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гош, С., Саха, М., и Де, С. К. (2014). Настраиваемый поверхностный плазмонный резонанс и повышенная электропроводность коллоидных нанокристаллов ZnO, легированных In. Наноразмер 6, 7039–7051. DOI: 10.1039 / C3NR05608B

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Губе, Н., Ягтап, А., Ливаш, К., Мартинес, Б., Порталес, Х., Сюй, Х. З. и др. (2018a). Нанокристаллы HgTe в терагерцовом диапазоне: без ограничений. J. Am. Chem. Soc. 140, 5033–5036. DOI: 10.1021 / jacs.8b02039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Губе, Н., Ливаш, К., Мартинес, Б., Сюй, Х.З., Итуррия, С., Ройер, С., и др. (2018b). Инженерия волновых функций в коллоидных гетероструктурах HgSe / HgTe для улучшения фотопроводящих свойств в среднем инфракрасном диапазоне. Nano Lett. 18, 4590–4597. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b01861

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зеленая, м., и Мирзай, Х. (2018). Синтетические пути к квантовым точкам халькогенидов ртути. J. Mater. Chem. С . 6, 5097–5112. DOI: 10.1039 / C8TC00910D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гресбэк, Р., Крамер, Н. Дж., Динг, Ю., Чен, Т., Корсхаген, У. Р., и Нозаки, Т. (2014). Контролируемое легирование кремниевых нанокристаллов с помощью полевых транзисторов с обработкой раствора. ACS Nano 8, 5650–5656. DOI: 10.1021 / nn500182b

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Григель В., Дюпон, Д., Де Нольф, К., Хенс, З., и Тессье, М. Д. (2016). Синтез коллоидных квантовых точек InAs с помощью химии предшественников аминопниктогена. J. Am. Chem. Soc. 138, 13485–13488. DOI: 10.1021 / jacs.6b07533

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гайот-Сионнест, П., и Робертс, Дж. А. (2015). Фоновое фотодетектирование в среднем инфракрасном диапазоне с помощью фотоэлектрических коллоидных квантовых точек HgTe. Заявл. Phys. Lett. 107: 253104. DOI: 10.1063 / 1.4938135

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Куры, З.и Морелс И. (2012). Поглощение света коллоидными полупроводниковыми квантовыми точками. J. Mater. Chem. 22, 10406–10415. DOI: 10.1039 / C2JM30760J

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хо, Н., Гупта, С., Констанатос, Г. (2017). Гибридные фотодетекторы с квантовыми точками MoS2 – HgTe размером более 2 мкм. Adv. Mater. 29: 1606576. DOI: 10.1002 / adma.201606576

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Iacovo, A. D., Venettacci, C., Colace, L., Scopa, L., и Фолья, С. (2017). Фотодетектор видимого света на коллоидных квантовых точках PbS для раннего обнаружения возгорания внутри помещений. IEEE Sens. J. 17, 4454–4459. DOI: 10.1109 / JSEN.2017.2710301

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ихли Р., Толентино Дж., Лю Ю., Гиббс М. и Ло М. (2011). Фототермическая устойчивость квантовых точечных тел PbS. АСУ Нано 5, 8175–8186. DOI: 10.1021 / nn2033117

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джагтап, А., Goubet, N., Livache, C., Chu, A., Martinez, B., Gréboval, C., et al. (2018a). Коротковолновые инфракрасные устройства на основе нанокристаллов HgTe со стабильными характеристиками на воздухе. J. Phys. Chem. С 122, 14979–14985. DOI: 10.1021 / acs.jpcc.8b03276

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джагтап А., Ливаче К., Мартинес Б., Ку, Дж., Чу, А., Гребоваль, К. и др. (2018b). Возникновение внутризонных переходов в коллоидных нанокристаллах. Опт. Mater. Экспресс 8, 1174–1183.DOI: 10.1364 / OME.8.001174

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джин Дж., Сяо Дж., Ник Р., Муди Н., Насиловски М., Бавенди М. и др. (2018). Стоимость синтеза определяет коммерческую жизнеспособность фотоэлектрических элементов с квантовыми точками из сульфида свинца и перовскита. Energy Environ. Sci. 11, 2295–2305. DOI: 10.1039 / C8EE01348A

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзя, Б. В., Тан, К. Х., Локи, В. К., Викаксоно, С., Ли, К. Х. и Юн, С.Ф. (2018). Монолитная интеграция фотодетектора insb на кремнии для кремниевой фотоники среднего инфракрасного диапазона. САУ Фотон . 5, 1512–1520. DOI: 10.1021 / acsphotonics.7b01546

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Канехара М., Койке Х., Йошинага Т. и Тераниши Т. (2009). Наночастицы оксида индия и олова с регулируемыми по составу частотами поверхностного плазмонного резонанса в ближней ИК-области. J. Am. Chem. Soc. 131, 17736–17737. DOI: 10.1021 / ja15

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кершоу, С.В., Суша А.С., Рогач А.Л. (2013). Узкозонные коллоидные квантовые точки халькогенидов металлов: методы синтеза, гетероструктуры, сборки, электронные и инфракрасные оптические свойства. Chem. Soc. Ред. 42, 3033–3087. DOI: 10.1039 / C2CS35331H

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кеулеян С., Колер Дж. И Гайот-Сионнест П. (2014b). Фотолюминесценция коллоидных квантовых точек HgTe в среднем инфракрасном диапазоне. J. Phys. Chem. С 118, 2749–2753.DOI: 10.1021 / jp409061g

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кеулеян С., Луиллиер Э., Браюскович В. и Гайо-Сионнест П. (2011). Фотоприемники с коллоидными квантовыми точками HgTe среднего инфракрасного диапазона. Nat. Фотоника 5, 489–493. DOI: 10.1038 / nphoton.2011.142

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кеулеян С.Э., Гайот-Сионнест П., Делерю К. и Аллан Г. (2014a). Коллоидные квантовые точки теллурида ртути: электронная структура, размерно-зависимые спектры и регистрация фототока до 12 мкм. ACS Nano 8, 8676–8682. DOI: 10.1021 / nn503805h

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким Дж., Чой Д. и Чон К. С. (2018). Самолегированные нанокристаллы коллоидных полупроводников с внутризонными переходами в стационарном состоянии. Chem. Commun. 54, 8435–8445. DOI: 10.1039 / C8CC02488J

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Клем, Э. Дж. Д., Грегори, К. В., Темпл, Д. С., и Льюис, Дж. С. (2015).«Визуализация коллоидных квантовых точек Vis-SWIR: демонстрация матрицы в фокальной плоскости и прототипа камеры (презентационная запись)», в Optical Sensing, Imaging, and Photon Counting: Nanostructured Devices and Applications (San Diego, CA: International Society for Optics и фотоника), 955505. doi: 10.1117 / 12.21

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Konstantatos, G., Badioli, M., Gaudreau, L., Osmond, J., Bernechea, M., Garcia de Arquer, F. P., et al. (2012).Гибридные фототранзисторы графен-квантовая точка со сверхвысоким усилением. Nat. Nanotechnol. 7, 363–368. DOI: 10.1038 / nnano.2012.60

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коваленко М. В., Кауфманн Э., Пачингер Д., Ройтер Дж., Хубер М., Штангл Дж. И др. (2006). Коллоидные нанокристаллы HgTe с широко регулируемой узкой запрещенной зоной: от телекоммуникаций до молекулярных колебаний. J. Am. Chem. Soc. 128, 3516–3517. DOI: 10.1021 / ja058440j

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крамер, И.Дж., Левина, Л., Дебнат, Р., Житомирский, Д., Сарджент, Э. Х. (2011). Солнечные элементы с использованием квантовых воронок. Nano Lett. 11, 3701–3706. DOI: 10.1021 / nl201682h

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кригель И., Цзян К., Родригес-Фернандес Дж., Шаллер Р. Д., Талапин Д. В., да Комо Э. и др. (2012). Настройка экситонных и плазмонных свойств нанокристаллов халькогенида меди. J. Am. Chem. Soc. 134, 1583–1590. DOI: 10.1021 / ja207798q

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лай, Ю., Ли, Х., Ким, Д. К., Диролл, Б. Т., Мюррей, К. Б., и Каган, К. Р. (2014). Низкочастотный (1 / f) шум в полевых транзисторах на основе нанокристаллов. ACS Nano 8, 9664–9672. DOI: 10.1021 / nn504303b

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lhuillier, E., и Guyot-Sionnest, P. (2017). Последние достижения в оптоэлектронике с нанокристаллами в среднем инфракрасном диапазоне. IEEE J. Sel. Верхний. Quantum Electron. 23: 6000208. DOI: 10.1109 / JSTQE.2017.26

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луилье, Э., Кеулеян, С., Золотавин, П., и Гайо-Сионнест, П. (2013). Полевые транзисторы и фотоприемники HgTe / As2S3 среднего инфракрасного диапазона. Adv. Mater. 25, 137–141. DOI: 10.1002 / adma.201203012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lhuillier, E., Pedetti, S., Ithurria, S., Heuclin, H., Надаль, Б., Робин, А. и др. (2014a). Полевой транзистор с электролитным затвором для исследования дефектов и морфологии поверхности пленок толстых коллоидных нанопластинок CdSe. ACS Nano 8, 3813–3820. DOI: 10.1021 / nn500538n

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луилье, Э., Робин, А., Итуррия, С., Обен, Х., и Дубертре, Б. (2014b). Фототранзистор на основе коллоидных нанопластинок с электролитом и его использование для детекции двухцветных изображений. Nano Lett. 14, 2715–2719. DOI: 10.1021 / nl5006383

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lhuillier, E., Scarafagio, M., Hease, P., Nadal, B., Aubin, H., Xu, X.Z., et al. (2016). Инфракрасный фотодетектор на основе коллоидных пленок квантовых точек с высокой подвижностью и оптическим поглощением до ТГц. Nano Lett. 16, 1282–1286. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.5b04616

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Х., Люльер Э., и Guyot-Sionnest, P. (2014). 1 / f-шум в твердых полупроводниках и металлических нанокристаллах. J. Appl. Phys. 115: 154309. DOI: 10.1063 / 1.4871682

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю З., Джейнс Л. М., Саниепай М. и Бьюлак Р. (2018). Накопление заряда и квантовое ограничение устойчивости в нанокристаллах коллоидного нитрида индия. Chem. Mater. 30, 5435–5443. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.8b02340

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Livache, C., Goubet, N., Martinez, B., Jagtap, A., Qu, J., Ithurria, S., et al. (2018). Зонная динамика и многоэкситонная генерация в узкозонных нанокристаллах HgTe. ACS Appl. Mater. Интерфейсы 10, 11880–11887. DOI: 10.1021 / acsami.8b00153

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Livache, C., Izquierdo, E., Martinez, B., Dufour, M., Pierucci, D., Keuleyan, S., et al. (2017). Динамика заряда и оптоэлектронные свойства в коллоидных квантовых ямах HgTe. Nano Lett. 17, 4067–4074. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.7b00683

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лютер, Дж. М., Джайн, П. К., Эверс, Т., и Аливисатос, А. П. (2011). Локализованные поверхностные плазмонные резонансы, возникающие на свободных носителях в допированных квантовых точках. Nat. Mater. 10, 361–366. DOI: 10.1038 / nmat3004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Малиновский, П. Э., Георгицикис, Э., Маес, Дж., Вамвака И., Фраззика Ф., Ван Ольмен Дж. И др. (2017). Тонкопленочный фотодиод на квантовых точках для монолитных датчиков инфракрасного изображения. Датчики 17: 2867. DOI: 10.3390 / s17122867

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартинес Б., Ливаче К., Губе Н., Джагтап А., Кругуэль Х., Уэрги А. и др. (2018). Исследование динамики носителей заряда с целью выявления роли поверхностных лигандов в узкозонных нанокристаллах HgTe. J. Phys. Chem. С 122, 859–865.DOI: 10.1021 / acs.jpcc.7b09972

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартинес, Б., Ливаш, К., Нотемгноу Муафо, Л. Д., Губе, Н., Кеулеян, С., Кругель, Х., и др. (2017). Самолегированные нанокристаллы HgSe как платформа для исследования эффектов исчезающего ограничения. ACS Appl. Mater. Интерфейсы 9, 36173–36180. DOI: 10.1021 / acsami.7b10665

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Морис, А., Аро, М. Л., Хиот, Б., и Рейсс, П. (2013). Квантовые точки: синтез коллоидных нанокристаллов антимонида индия с использованием стибина (Part. Part. Syst. Charact. 10/2013). Деталь. Часть. Syst. Charact. 30, 821–821. DOI: 10.1002 / ppsc.201370038

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пак, М., Чой, Д., Чой, Ю., Шин, Х., и Чон, К. С. (2018). Внутризонный переход в среднюю инфракрасную область спектра металлических коллоидных нанокристаллов Ag2Se с избытком металла. САУ Фотон. 5, 1907–1911. DOI: 10.1021 / acsphotonics.8b00291

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Протьер, М., Нерамбург, Н., Ренар, О., и Рейсс, П. (2011). Рациональная схема синтеза почти монодисперсных полупроводниковых нанокристаллов в граммах. Nanoscale Res. Lett. 6: 472. DOI: 10.1186 / 1556-276X-6-472

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Qu, J., Goubet, N., Livache, C., Martinez, B., Amelot, D., Gréboval, C., et al. (2018). Внутризонные переходы в среднем инфракрасном диапазоне в нанокристаллах Ag2Se: возможности и ограничения недорогого фотодетектирования без использования ртути. J. Phys. Chem. С 122, 18161–18167. DOI: 10.1021 / acs.jpcc.8b05699

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Робин А., Ливаш, К., Итуррия, С., Лаказ, Э., Дубертре, Б., и Люилье, Э. (2016). Поверхностный контроль легирования самолегированных нанокристаллов. ACS Appl. Mater. Интерфейсы 8, 27122–27128. DOI: 10.1021 / acsami.6b09530

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Розенчер Э. (2002). Оптоэлектроника .Кембридж; Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.

Google Scholar

Раннерстром, Э. Л., Бергеруд, А., Агравал, А., Джонс, Р. В., Дальман, К. Дж., Сингх, А., и др. (2016). Инженерия дефектов в плазмонных нанокристаллах оксидов металлов. Nano Lett. 16, 3390–3398. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.6b01171

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сагар, Л. К., Валравенс, В., Маес, Дж., Гейрегат, П., и Хенс, З. (2017). Нанокристаллы ядро ​​/ оболочка HgSe / CdE (E = S, Se) путем осаждения коллоидного атомного слоя. J. Phys. Chem. С 121, 13816–13822. DOI: 10.1021 / acs.jpcc.7b02803

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Саху А., Кхаре А., Дэн Д. Д. и Норрис Д. Дж. (2012). Квантовое ограничение в полупроводниковых нанокристаллах селенида серебра. Chem. Commun. 48, 5458–5460. DOI: 10.1039 / C2CC30539A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сарджент, Э. Х. (2008). Солнечные элементы, фотоприемники и оптические источники из инфракрасных коллоидных квантовых точек. Adv. Mater. 20, 3958–3964. DOI: 10.1002 / adma.200801153

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Савич, Г. Р., Педраццани, Дж. Р., Сидор, Д. Э., Маймон, С., и Уикс, Г. У. (2011). Фильтрация темнового тока в однополярных барьерных инфракрасных детекторах. Заявл. Phys. Lett. 99: 121112. DOI: 10.1063 / 1.3643515

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Савич, Г. Р., Педраццани, Дж. Р., Сидор, Д. Э., и Уикс, Г. У. (2013). Преимущества и недостатки униполярных барьеров в инфракрасных фотоприемниках. Инфракрасный физ. Technol. 59, 152–155. DOI: 10.1016 / j.infrared.2012.12.031

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шимпф, А. М., Лунис, С. Д., Раннерстрем, Э. Л., Миллирон, Д. Дж., И Гамлен, Д. Р. (2015). Редокс-химия и энергии плазмонов фотолегированных нанокристаллов In2O3 и In2O3 (ITO), легированных Sn. J. Am. Chem. Soc. 137, 518–524. DOI: 10.1021 / ja5116953

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шен, Г., и Гайо-Сионнест, П. (2016). Коллоидные квантовые точки HgS и HgS / CdS с инфракрасными внутризонными переходами и возникновением поверхностного плазмона. J. Phys. Chem. С 120, 11744–11753. DOI: 10.1021 / acs.jpcc.6b04014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Спенсер, Б.Ф., Грэм, Д.М., Хардман, С.Дж.О., Седдон, Э.А., Клифф, М.Дж., Сайрес, К.Л. и др. (2013). Измерения поверхностной фотоэдс с временным разрешением на фотоэлектрических поверхностях типа $ n $: Si (111) и ZnO (10 \ {¯1} 0). Phys. Ред. B 88: 195301. DOI: 10.1103 / PhysRevB.88.195301

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шривастава В., Дунец Э., Камысбаев В., Андерсон Дж. С., Талапин Д. В. (2018). Монодисперсные квантовые точки InAs из предшественников аминоарсина: понимание роли восстановителя. Chem. Mater. 30, 3623–3627. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.8b01137

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сунь, З., Лю, З., Ли, Дж., Тай, Г.А., Лау, С.-П., Ян Ф. (2012). Инфракрасные фотоприемники на основе графена, выращенного методом CVD, и квантовых точек PbS со сверхвысокой чувствительностью. Adv. Mater. 24, 5878–5883. DOI: 10.1002 / adma.201202220

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан, Л., Ли, П., Сан, Б., Чакер, М., и Ма, Д. (2017). Стабильность, связанная с солнечными элементами на основе квантовых точек ближнего инфракрасного диапазона: роль инженерии поверхности. ACS Energy Lett. 2, 1573–1585. DOI: 10.1021 / acsenergylett.7b00194

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тандон, Б., Ядав, А., Хурана, Д., Редди, П., Сантра, П. К., и Наг, А. (2017). Увеличение плотности носителей, добротности LSPR и подвижности носителей в нанокристаллах In2O3, легированных Cr – Sn, за счет размера. Chem. Mater. 29, 9360–9368. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.7b03351

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан X., Акерман М. М. и Гайо-Сионнест П. (2018). Тепловидение с помощью фотоэлектрических устройств с коллоидными квантовыми точками HgTe с плазмонным резонансом. ACS Nano 12, 7362–7370. DOI: 10.1021 / acsnano.8b03871

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан, X., Тан, X., и Лай, К. В. С. (2016). Масштабируемое производство инфракрасных детекторов с мультиспектральным фотоответом на основе узорчатых пленок коллоидных квантовых точек. ACS Photonics 3, 2396–2404. DOI: 10.1021 / acsphotonics.6b00620

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Х., Люилье, Э., Ю, К., Моттагизаде, А., Ulysse, C., Zimmers, A., et al. (2015). Влияние электрон-фононного взаимодействия на электронный туннельный спектр квантовых точек PbS. Phys. Ред. B 92: 041403. DOI: 10.1103 / PhysRevB.92.041403

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Якунин С., Дирин Д. Н., Протезеску Л., Сытник М., Толлабимазраэно С., Хьюмер М. и др. (2014). Высокая инфракрасная фотопроводимость пленок нанокристаллов сульфида свинца, инкапсулированных мышьяком. ACS Nano 8, 12883–12894.DOI: 10.1021 / nn5067478

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ифат, Ю., Акерман, М., и Гайот-Сионнест, П. (2017). Детекторы коллоидных квантовых точек среднего ИК-диапазона, усиленные оптическими наноантеннами. Заявл. Phys. Lett. 110: 041106. DOI: 10.10

% PDF-1.4 % 6 0 obj > endobj xref 6 77 0000000016 00000 н. 0000002150 00000 н. 0000002263 00000 н. 0000002809 00000 н. 0000002947 00000 н. 0000003204 00000 н. 0000003820 00000 н. 0000004045 00000 н. 0000004220 00000 н. 0000004437 00000 н. 0000004698 00000 н. 0000007070 00000 п. 0000009172 00000 н. 0000009308 00000 н. 0000009448 00000 н. 0000009660 00000 н. 0000012584 00000 п. 0000015645 00000 п. 0000018770 00000 п. 0000021677 00000 п. 0000024197 00000 п. 0000026097 00000 п. 0000026208 00000 п. 0000026321 00000 п. 0000026432 00000 п. 0000026501 00000 п. 0000026580 00000 п. 0000033294 00000 п. 0000033574 00000 п. 0000033849 00000 п. 0000033874 00000 п. 0000034257 00000 п. 0000034326 00000 п. 0000034405 00000 п. 0000040918 00000 п. 0000041199 00000 н. 0000041472 00000 п. 0000041497 00000 п. 0000041880 00000 п. 0000041949 00000 п. 0000042028 00000 п. 0000048347 00000 п. 0000048637 00000 п. 0000048905 00000 н. 0000048930 00000 н. 0000049304 00000 п. 0000049487 00000 п. 0000052433 00000 п. 0000052805 00000 п. 0000053210 00000 п. 0000053474 00000 п. 0000056937 00000 п. 0000057391 00000 п. 0000057913 00000 п. 0000058023 00000 п. 0000059901 00000 н. 0000060216 00000 п. 0000060581 00000 п. 0000060667 00000 п. 0000061096 00000 п. 0000061364 00000 п.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.