Amin與其團(tuán)隊(duì)成員共同開(kāi)發(fā)出下一代紅外傳感器,成本效益極高

Amir-Abbas Yousefi Amin博士是德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)（簡(jiǎn)稱(chēng)：FAU）電子與能源技術(shù)材料“解決方案-加工半導(dǎo)體-材料（SOPSEM）”研究組的成員。據(jù)報(bào)道，Amin與其團(tuán)隊(duì)成員共同開(kāi)發(fā)出下一代紅外傳感器，該紅外傳感器是通過(guò)噴墨打印等印刷技術(shù)制備出來(lái)的。這種簡(jiǎn)單的制備技術(shù)使得該紅外傳感器具有極高的成本效益。

Amin與其團(tuán)隊(duì)日前獲得了一項(xiàng)特殊榮譽(yù)：他們作為受邀的三支團(tuán)隊(duì)之一參加了德國(guó)慕尼黑著名的“LOPEC——驅(qū)動(dòng)印刷電子未來(lái)”貿(mào)易展會(huì)，向國(guó)際專(zhuān)業(yè)的參會(huì)者展示了他們的傳感器原型。他們是首支獲得該榮譽(yù)的FAU團(tuán)隊(duì)。下面為對(duì)Amin團(tuán)隊(duì)的采訪：

提問(wèn)：Amin您好，您的研究領(lǐng)域著重在哪些方面？

Amin：我所在的研究團(tuán)隊(duì)為FAU電子與能源技術(shù)材料的“解決方案-加工半導(dǎo)體-材料（SOPSEM）”課題組，由Heiss教授領(lǐng)導(dǎo)，該課題的研究方向就是我的主攻領(lǐng)域。我致力于利用印刷技術(shù)開(kāi)發(fā)電子器件。為此，我利用了新型納米級(jí)膠體半導(dǎo)體。我們的研究團(tuán)隊(duì)利用化學(xué)方法在尺寸和組成上創(chuàng)造并調(diào)整了納米材料，這些材料顯示出有效且顯著的特征。

提問(wèn)：您與您的研究團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)出了下一代紅外傳感器，能描述一下你們的工作以及傳感器的研發(fā)過(guò)程嗎?

Amin：商用紅外傳感器通常是在高溫和真空條件下制備半導(dǎo)體晶體或薄膜。相比之下，我們的下一代紅外傳感器是通過(guò)噴墨打印技術(shù)制造的，使用起來(lái)幾乎與辦公室中任何設(shè)備一樣簡(jiǎn)單。雖然這項(xiàng)技術(shù)以往曾應(yīng)用于電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，但它幾乎只應(yīng)用于有機(jī)半導(dǎo)體和金屬。因此我們的研究團(tuán)隊(duì)將電子器件的印刷擴(kuò)展至全功能無(wú)機(jī)半導(dǎo)體油墨，并采用膠體化學(xué)方法制備和合成。

Amin：與有機(jī)半導(dǎo)體相比，來(lái)自這些無(wú)機(jī)油墨的器件能夠在長(zhǎng)波紅外波段工作，相比下，即使是標(biāo)準(zhǔn)硅器件也無(wú)法做到。在LOPEC，我們將介紹首個(gè)完全利用納米晶體油墨打印的紅外傳感器。建立該技術(shù)后，每個(gè)由不同層組成的探測(cè)器只需14秒就可打印出來(lái)，該時(shí)間已包含干燥和電觸點(diǎn)制造的時(shí)間。這種印刷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一就是使用油墨會(huì)非常經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槊總€(gè)探測(cè)器只需使用幾微克材料，而少量材料可以精確地沉積在預(yù)定位置。到目前為止，大多數(shù)基于膠體納米晶體油墨制備電子器件的解決方案都是通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂膜制備的，這種方法通常會(huì)造成材料的巨大損失，而我們希望避免這種損失。因此，紅外傳感器打印的關(guān)鍵是研發(fā)可在日常條件下打印的半導(dǎo)體油墨。

提問(wèn)：貴團(tuán)隊(duì)制備的這種傳感器有何特別之處？

Amin：我們的技術(shù)為紅外傳感器提供了無(wú)與倫比的成本優(yōu)勢(shì)。油墨中使用的合成納米材料在它們工作的光譜范圍內(nèi)非常靈活。因此，根據(jù)潛在用戶的需求定制探測(cè)器非常簡(jiǎn)單。

提問(wèn)：此傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

Amin：我們的紅外探測(cè)器可以覆蓋多個(gè)光譜區(qū)域，主要包括近紅外醫(yī)學(xué)窗口、波長(zhǎng)約1.5微米的通信窗口，以及一些波長(zhǎng)更長(zhǎng)的大氣窗口，這些都是監(jiān)視和安防領(lǐng)域的重要光譜區(qū)域。此外，物質(zhì)的化學(xué)分析往往基于紅外光譜，可利用紅外探測(cè)器，應(yīng)用于食品監(jiān)測(cè)或有害物質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域。我們認(rèn)為，我們的傳感器也非常適合集成到紅外成像系統(tǒng)中，相比較，基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造的紅外成像系統(tǒng)對(duì)于廣泛的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通常過(guò)于昂貴。

提問(wèn)：貴團(tuán)隊(duì)是首支進(jìn)入LOPEC決賽的FAU團(tuán)隊(duì)。你們?cè)鯓涌创耸鈽s？

Amin：當(dāng)然，能夠成為FAU首個(gè)入圍LOPEC的團(tuán)隊(duì)是我們的榮幸。我來(lái)到LOPEC的主要目標(biāo)是向潛在的行業(yè)用戶展示我們的研究成果。在FAU，我接受了教育，后來(lái)又進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，接受了幾年熏陶，因此在取得一些有趣的研究成果并代表FAU出征競(jìng)選，也是很自然的事情。

提問(wèn)：這次競(jìng)選會(huì)有怎樣的獎(jiǎng)勵(lì)？

Amin：LOPEC為最終入圍的候選團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)免費(fèi)展位，可在整場(chǎng)展會(huì)中展示他們的實(shí)驗(yàn)原型。由于LOPEC的參觀者涵蓋了印刷電子在工業(yè)和科研領(lǐng)域的所有分支，因此這是我們展示新型納米晶體探測(cè)器的最佳平臺(tái)，可讓我們有機(jī)會(huì)與該領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者交流并演示我們的器件原型。

提問(wèn)：你們團(tuán)隊(duì)贏得比賽后會(huì)有哪些打算？

Amin：贏得比賽不是最重要的，因?yàn)閷?duì)我們來(lái)說(shuō)，通過(guò)此次活動(dòng)能與該領(lǐng)域全球企業(yè)見(jiàn)面是頭等大事。

打印紅外器件的半導(dǎo)體油墨是其中的關(guān)鍵，以下為Amin團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究介紹：

利用PbS制備的膠體納米晶體已成功地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的高靈敏度紅外光電探測(cè)器。研究中，Amin團(tuán)隊(duì)展示了具有高探測(cè)率（～1012 cm·√Hz/W）且截止頻率大于3 kHz的全印刷器件。采用自動(dòng)化打印，可實(shí)現(xiàn)低材料消耗（每臺(tái)探測(cè)器<0.3 mg）和短時(shí)加工（每臺(tái)探測(cè)器14 s），可確保極低的器件成本。為實(shí)現(xiàn)全印刷器件，利用基于鈣鈦礦類(lèi)甲基碘二氫銨配體穩(wěn)定的納米晶體研制出了一種油墨配方，該配體可均勻分散在三元溶劑中。利用印刷銀電極和氧化鋅中間層，來(lái)實(shí)現(xiàn)基于該溶劑的全噴墨印刷器件。通過(guò)向油墨中加入少量聚合物聚（乙烯基吡咯烷酮），可得到顯著改善。該聚合物改善了油墨的膠體穩(wěn)定性及其成膜性能，因此能夠?qū)崿F(xiàn)單探測(cè)器和探測(cè)器陣列的可擴(kuò)展印刷。雖然研究中只展示了光電導(dǎo)體，但研發(fā)的油墨肯定會(huì)在一系列基于多種材料納米晶體的電子器件中得到廣泛應(yīng)用。

該研究于2019年2月1日，以題為“Fully Printed Infrared Photodetectors from PbS Nanocrystals with Perovskite Ligands”的論文發(fā)表于ACS Nano，論文地址為：