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Fotodetectores orgánicos y miniaturizados que absorben luz más allá del rango visible

Detectan la luz por debajo de su banda de absorción y con una elevada eficiencia. Los dispositivos sintetizados funcionan tan bien o mejor que los comerciales, y permiten reducir su tamaño, haciéndolos más portátiles y aptos para aplicaciones de electrónica integrada. El estudio lo han realizado investigadores del ICMAB-CSIC en colaboración con investigadores de Dresden (Alemania) y de Pekín (China)

 

Imagen de los fotodetectores.Un estudio liderado por la Technische Universität Dresden, en el que ha participado el grupo de Mariano Campoy-Quiles, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), ha conseguido desarrollar fotodetectores orgánicos que detectan la luz por debajo de su banda de absorción, con una alta eficiencia, de un modo ajustable y con una longitud de onda muy precisa del espectro electromagnético.

Hace unos años, el equipo de Campoy-Quiles desarrolló detectores basados en semiconductores orgánicos, que permitían la  detección continua de la posición de una haz de luz incidente (position sensitive photodetectors). El trabajo que presentan ahora es una extensión de aquella idea.

Dos tipos de moléculas que interaccionan

La capa activa de los fotodetectores que han desarrollado ahora está formada por dos tipos de moléculas orgánicas que actúan simultáneamente, intercambiándose la carga eléctrica entre ellas. La absorción de la luz por estas moléculas, aunque es muy débil, puede darse en un amplio rango del espectro electromagnético, desde el UV hasta el infrarrojo.

Para ajustar la longitud de onda absorbida sólo hay que cambiar el grosor de la cavidad óptica. Si la absorción fuera muy intensa o muy amplia, no se podría cambiar con tanta precisión la frecuencia absorbida deseada.

Los detectores comerciales actuales inorgánicos usan la absorción entre las bandas de energía, y los orgánicos usan la absorción de una sola molécula, y por ello son más difíciles de sintetizar, ocupan mucho más volumen, y no pueden ajustarse a diferentes longitudes de onda. Gracias a este estudio, se consigue un fotodetector que no depende de la estructura química de las moléculas en sí, sino de la interacción entre las dos especies, y que se puede modular en función de la geometría del dispositivo.

Usos potenciales son un espectrofotómetro UV-Vis en miniatura, o en la electrónica integrada, en aplicaciones lab-on-a-chip, en colorimetría, o en sensores térmicos


Una posible aplicación de estos fotodetectores, y que aparece en el artículo, es un espectrofotómetro UV-Vis en miniatura, usado como un detector portátil. Con un dispositivo de unos pocos centímetros de largo, se consigue el mismo objetivo que un espectrofotómetro UV-Vis actual. Otros usos potenciales serían en el campo de la electrónica integrada, en aplicaciones lab-on-a-chip, en colorimetría, o en sensores térmicos, donde se requieren dispositivos mucho más pequeños y más portables que los actuales.

El estudio, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y por el proyecto Severo Ochoa del ICMAB, ha sido realizado por investigadores del ICMAB en colaboración con el Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materiales (IAPP) y el Institute for Applied Physics de la Technische Universität Dresden (Alemania) y con el Beijing National Laboratory for Molecular Sciences (China).

Artículo de referencia:
Polymer:Fullerene bimolecular Crystals for Near-Infrared Spectroscopic Photodetectors. Zheng Tang, Zaifei Ma, Antonio Sánchez-Díaz, Sascha Ullbrich, Yuan Liu, Bernhard Siegmund, Andreas Mischok, Karl Leo, Mariano Campoy-Quiles, Weiwei Li, and Koen Vandewal. Advanced Materials, 2017, 1702184