JP2021535600A - 二次元量子ドットを用いた光検出器 - Google Patents

二次元量子ドットを用いた光検出器 Download PDF

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Abstract

【解決手段】光検出器２００は、下側電極２１０と、下側電極上に配置された中間層２２０と、中間層上に配置された光吸収層２３０であって、１又は複数の電荷輸送材料を有する光吸収層と、１又は複数の電荷輸送材料に分散された複数の二次元量子ドット（２Ｄ ＱＤ）と、光吸収層上に配置された上側電極２４０とを含む。ヘテロ構造光検出器３００は、下側電極３１０と、下側電極上に配置された第１の光吸収層３２０であって、第１の光吸収材料を有する第１の光吸収層と、第１の光吸収層上に配置された第２の光吸収層３３０であって、第２の光吸収材料を有する第２の光吸収層と、第２の光吸収層上に配置された上側電極３４０とを含んでおり、第１又は第２の光吸収材料のうちの少なくとも一方は、複数の二次元量子ドット（２Ｄ ＱＤ）である。【選択図】図２

Description

＜関連出願の参照＞
本願は、２０１８年８月２３日に出願された米国仮出願第６２／７２２，００６号の利益を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
＜技術分野＞
本発明は概して、「量子ドット」（ＱＤ）と呼ばれる半導体ナノ粒子に関する。より詳細には、本発明は、二次元材料で構成された量子ドットと、光検出器におけるそれらの使用に関する。
光検出器は、入射光子に応答して電気信号を生成するデバイスである。光検出器又は光センサーは、光又はその他の電磁エネルギーが入射するとその強度に応答する。半導体光検出器は、光の光子を電流に変換するｐ−ｎ接合を有する。吸収された光子は、空乏領域で電子−正孔対を作る。光検出器の例には、フォトダイオード、フォトコンダクタ、及びフォトトランジスタがある。ある意味、太陽電池は、吸収した光エネルギーの一部を電気エネルギーに変換することから光検出器であって、電気エネルギーの量は適切な回路によって検知できる。
フォトダイオードは通常、ｐ−ｎ接合を基礎としている。フォトダイオードでは、十分なエネルギーの光子がデバイスに入射すると、電子−正孔対が生成される。吸収が、接合の空乏領域又はそこから１拡散長離れたところで起こると、空乏領域の内蔵電場によってキャリアが接合から除去されることで、正孔が陽極に移動し、電子が陰極に向かって移動して、光電流が生じる。
フォトコンダクタは、光を照射することで起こる半導体の伝導度の一時的な変化を検出するデバイスである。光子は光励起キャリアを生成し、光励起キャリアは、電極間に印加された電圧バイアスによって生じる電場によって取り出される。
フォトトランジスタはフォトダイオードに似ており、ｎ型領域が更に追加されている。フォトトランジスタは、内部ゲインを有するフォトダイオードを含んでいる。それは、バイポーラトランジスタが透明ケースに収められており、光子がベース−コレクタ接合部に到達できるようになっていると表すことができる。ベース−コレクタ接合部において光子から生成された電子がベースに注入されて、電流が増幅される。
それら３種類の光検出器は夫々異なる特性を有しており、様々な用途に利用される。フォトトランジスタとフォトダイオードは同じようなレートで検出するが、フォトトランジスタの方が応答時間が遅い（フォトダイオードがナノ秒であるのに対して、フォトトランジスタはマイクロ秒である）。フォトトランジスタはゲインが高く、一方、フォトダイオードは温度による変化が少ない。
光検出器は様々な構成で使用できる。単一センサーが、全体的な光レベルを検出してよい。分光光度計やラインスキャナーのように、光検出器の一次元アレイが、線に沿った光の分布を測定するために使用されてよい。受光素子の二次元アレイが、そこに入射した光のパターンから画像を形成するイメージセンサーとして使用されてよい。
光検出器又はアレイは通常、反射防止コーティングを有する照明窓で覆われている。
光検出器を特徴付けて比較するための性能メトリック（所謂「性能指標（figure of merit）」）は、数多く存在している。性能メトリックの一つに、スペクトル感度（光子の周波数の関数である光検出器の応答）がある。別の性能メトリックとして、量子効率（ＱＥ：光子１個当たりで生成されるキャリア（電子又は正孔）の数）がある。更に別の性能メトリックとして、応答度（Ｒ；光検出器に当たる総光パワーで出力電流を割った値。Ｒ＝ＱＥ／Ｅｐｈｏｔｏｎ（Ｅｐｈｏｔｏｎは光子のエネルギー（ｅＶ））がある。更に別の性能メトリックとして、ノイズ等価電力（ＮＥＰ；最小検出可能電力、即ち、帯域幅が１Ｈｚに限定されている場合において、検出器の電気信号対雑音比がユニティー（０ｄＢ）になる光信号）がある。更に別の性能メトリックとして、比検出力（Ｄ＊；検出器の面積Ａ掛ける周波数帯域Ｂの平方根をノイズ等価電力で割った値；Ｄ＊＝［√（ＡＢ）］／ＮＥＰ）がある。更に別の性能メトリックとして、ゲイン（Ｇ；光検出器の出力電流を、光検出器に入射した光子で直接生じる電流で割ったもの。即ち、内蔵電流ゲイン）がある。更に別の性能メトリックとして、暗電流（Ｉｄ：光がない状態で光検出器に流れる電流）がある。更に別の性能メトリックとして、応答時間（τ；光検出器が最終出力の１０％から最終出力の９０％になるために要する時間）がある。更に別の性能メトリックとして、ノイズスペクトル（周波数の関数としての固有のノイズ電圧又は電流。これは、ノイズスペクトル密度の形で表すことができる）がある。更に別の性能メトリックとして、非線形性がある（ＲＦ出力は光検出器の非線形性によって制限される）。更に別の性能メトリックとして、スペクトル選択性（応答信号がノイズレベルと同等かそれよりも小さくなるカットオフ波長）がある。
光検出器の高性能化を実現するためには、高い応答度、短い応答時間、高い比検出力、及び幅広いスペクトル選択性波長域の組合せが望ましい。
イメージングセンサーなどの用途で、紫外域（ＵＶ）から近赤外域（ＮＩＲ）にわたって感度を有する、溶液処理可能な光検出器への関心が高まっている。特に注目されているのは、水吸収の低い１〜１．８μｍの範囲である。
光検出用途についてコロイド状量子ドット（ＱＤ）を光吸収体として使用する可能性が認識されており、研究は主に、有害な鉛を含むＰｂＳ ＱＤに焦点を当ててきた。
グラフェン及び遷移金属ジカルコゲナイド（ＴＭＤＣ）を含む２Ｄ材料は、その光学特性と機械的柔軟性の組合せに起因して、光検出用途における光吸収体として研究されてきた。グラフェンを用いた光検出器は、広範に研究されており、高いキャリア移動度と、優れた安定性と、高い機械的強度と、可視から遠赤外までの幅広いスペクトル感度とを示すことが分かっている。しかしながら、グラフェンのバンドギャップを開くことが難しいことで、暗電流が大きくなり、光検出への適用に制約を与えている。層状のＴＭＤＣは、層の数によってバンドギャップを調節できるなどの多くの利点をもたらす。また、それらは、集積回路を構成する相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術と両立できる。当該技術を使用して、多機能で高性能な低消費電力の光検出器を開発することが可能である。
高応答度、広帯域スペクトル、及び高検出力を持つ光検出器は、単一のＴＭＤＣを使用して製造することは現在のところ困難である。厚さが狭くて、光吸収が制限されるからである。高吸収増感剤を用いることは、光の吸収効率を向上させる助けになるが、２Ｄ材料のメリットを保持するためには、増感剤を十分に薄くする必要がある。また、高いキャリア移動度と、ＴＭＤＣのバンド構造とよく一致するバンド構造とが、電荷の効率的な分離と移動のためには望ましい。
コロイド状ＱＤは、高感度、高速、及び広帯域の光検出器を実現するために、ＴＭＤＣシートと組み合わされて増感剤として使用されてきた。例えば、ＰｂＳ ＱＤは、ＷＳｅ２ナノシートと組み合わされて使用されており［Ｃ．Ｈｕ ｅｔ ａｌ．，Ａｄｖ．Ｆｕｎｃｔ．Ｍａｔｅｒ．２０１７，２７，１６０３６０５］、ＣｄＳ／ＺｎＳ ＱＤは、ＷＳ２モノレイヤーと組み合わされている［Ａ．Ｂａｕｌｅｓｂａａ，Ｋ．Ｗａｎｇ，Ｍ．Ｍａｈｊｏｕｒｉ−Ｓｏｍａｎｉ，Ｍ．Ｔｉａｎ，Ａ．Ａ．Ｐｕｒｅｔｚｋｙ，Ｉ．Ｉｖａｎｏｖ，Ｃ．Ｍ．Ｒｏｕｌｅａｕ，Ｋ．Ｘｉａｏ，Ｂ．Ｇ．Ｓｕｍｐｔｅｒ ａｎｄ Ｄ．Ｂ．Ｇｒｏｈｅｇａｎ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１６，１３８，１４７１３］。
ＱＤに比べてナノシートの接触面積が大きいことから、グラフェンやその他の層状材料のような２Ｄナノシートの材料とＴＭＤＣとを組み合わせたハイブリッドデバイスが研究されてきた。増感剤として２Ｄヘテロ構造を用いたデバイスでは、ヘテロ構造の界面にショットキーバリアが形成されると、固有の電場が生じて、界面での効率的な電荷移動がもたらされる。
このように、コロイド状ＱＤと２Ｄナノシートの両方は、光検出器への応用に利点をもたらし得る。
結晶シリコンは、従来より光電変換用途に使用されてきた。しかしながら、その吸収は１．１μｍ未満に限られており、これは、赤外スペクトルの大部分を吸収できないことを意味している。また、その吸収は、スペクトル範囲内では弱く、５００ｎｍで１０４ｃｍ−１を超える程度である。ＵＶ領域では、皮膚がんの検出に関連する波長にて、シリコンにおける超短吸収波長により、高度に再結合する表面状態の近くで電子−正孔対が生成される。このため、標準的なシリコンデバイスではＵＶ感度が制限される。故に、シリコンにおける範囲を超えて光を吸収できる材料に大きな関心が持たれている。
エピタキシャル成長させたＱＤは、光検出用途に使用されているが、加工が困難である傾向がある。純有機半導体は、光検出用途では取り扱いが容易であると思われる。しかしながら、最近まで、近赤外領域でフォトダイオードの製造に適した狭いバンドギャップを有する低分子有機化合物又はポリマーはほとんどなかった。
ＱＤフォトダイオードデバイスは、有機半導体のスペクトル範囲を超えて近赤外領域へと調整できるが、鉛やカドミウムのような有害な重金属を使用したＱＤに頼っていることが大きな懸念のままである。
グラフェンやＴＭＤＣなどの２Ｄ材料を用いた光吸収体を組み込んだ光検出器が探究されてきた。ユニークな光学特性と機械的柔軟性が利点である。その他の望ましい特性としては、高いキャリア移動度と、化学的安定性と、機械的強度と、可視から遠赤外まで調整可能なスペクトル感度とが挙げられる。特に、ＴＭＤＣを用いた光検出器は、層数を変化させることで調整できる。２つの異なる層状物質のヘテロ構造も探究されてきた。好ましく配置された２つの材料間の弱いファンデルワールス相互作用は、２つの材料間の格子不整合に起因した問題を引き起こすことなく、高品質のヘテロ接合を生じることができる。
ＣｄＳｅベースの２Ｄナノプレートレットとグラフェンとからなるヘテロ構造デバイスは説明されている［Ａ．Ｒｏｂｉｎ，Ｅ．Ｌｈｕｉｌｌｉｅｒ ａｎｄ Ｂ．Ｄｕｂｅｒｔｒｅｔ，ＭＲＳ Ａｄｖ．，２０１６，２１８７；Ａ．Ｒｏｂｉｎ，Ｅ．Ｌｈｕｉｌｌｉｅｒ，Ｘ．Ｚ．Ｘｕ，Ｓ．Ｉｔｈｕｒｒｉａ，Ｈ．Ａｕｂｉｎ，Ａ．Ｏｕｅｒｇｈｉ ａｎｄ Ｂ．Ｄｕｂｅｒｔｒｅｔ，Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．，２０１６，６，２４９０９］。このデバイスは、ナノプレートレットの強い吸光性とグラフェンの高いキャリア移動度とを利用している。この２Ｄナノプレートレットは、厚さが１〜５ｎｍであり、横方向の寸法が１μｍまでであって、横方向の寸法はボーア半径よりも遥かに大きい。これらのナノプレートレットには、バンドギャップの調整ができないという欠点がある。
２Ｄ材料を含む光検出器では、対処しなければならない問題の一つに、応答速度に好ましくない深い準位のトラップ状態を排除することがある。
２Ｄ材料を含む光検出器は数多く報告されているが、従来技術では、スケールアップが困難な剥離やＣＶＤ堆積プロセスに依存していた。
本開示の様々な態様に基づく光検出器は、量子閉じ込めレジームにある横方向の寸法を有し、１乃至５の原子又は分子のモノレイヤー層の厚さを有する複数の半導体ナノ粒子（「２Ｄ量子ドット」又は「２Ｄ ＱＤ」）を含んでよい。ＱＤを光検出器に使用する利点には、強くて調整可能な吸収スペクトルと溶液プロセス性とが挙げられる。
２Ｄ材料を使用する幾つかの利点には、高い接触面積及び表面の平坦性と、材料の厚さによる吸収の調整と、高い移動性と、高い透明性とが挙げられる。他の従来の形態のＱＤ（即ち、０Ｄの球状ＱＤ、ナノロッドのような１Ｄ ＱＤ、ナノキューブ、ナノテトラポッド、ナノピラミッドのような３Ｄ ＱＤ）や２Ｄ層状材料ではなく、２Ｄ ＱＤを使用することで、ＱＤと２Ｄ材料の複合的な利点を実現することができる。
ＱＤの厚さを変更することで、更に吸収の調整が可能になる。また、２Ｄ ＱＤは無毒性の材料で構成することができるので、カドミウムや鉛などの重金属を使用したＱＤの毒性に対する懸念を軽減することができる。
溶液処理可能な光検出器は、特にセンサー用途に適している。
本発明の第１の態様では光検出器が提供される。当該光検出器は、第１電極と、第１電極上に配置された中間層と、中間層上に配置された光吸収層と、光吸収層上に配置された第２電極と備えている。光吸収層は、１又は複数の電荷輸送材料と、１又は複数の電荷輸送材料中に分散された複数の二次元量子ドット（２Ｄ ＱＤ）とを含んでいる。
中間層は、約１ｎｍ乃至約１０００ｎｍの範囲の厚さを有してよい。光吸収層は、約１０ｖｏｌ％乃至約９５ｖｏｌ％の２Ｄ ＱＤを含んでよい。光吸収層は、約５ｖｏｌ％乃至約９０ｖｏｌ％の１又は複数の電気輸送材料を含んでよい。光吸収層は、約１０ｎｍ乃至約２ミクロンの範囲の厚さを有してよい。２Ｄ ＱＤは、約１乃至約５つの原子又は分子のモノレイヤーの厚さと、２Ｄ ＱＤを量子閉じ込めレジームに置くのに十分な横方向の寸法を有してよい。
本発明の第２の態様では、ヘテロ構造光検出器が提供される。当該ヘテロ構造光検出器は、第１の電極と、第１の電極上に配置された第１の光吸収層であって、第１の光吸収材料を含む第１の光吸収層と、第１の光吸収層上に配置された第２の光吸収層であって、第２の光吸収材料を含む第２の光吸収層と、第２の光吸収層上に配置された第２の電極とを備えている。
ヘテロ構造光検出器は、第１の電極と第１の光吸収層との間に配置された中間層を更に備えてよい。ヘテロ構造光検出器は、第１の光吸収層と第２の光吸収層との間に配置された遷移層を更に備えており、遷移層は、第１の光吸収材料と第２の光吸収材料の組合せを含んでよい。第１の光吸収材料は、複数の二次元量子ドット（２Ｄ ＱＤ）、複数の二次元ナノシート（２Ｄナノシート）、又は複数の従来のＱＤであってよい。第１の光吸収材料は、複数の二次元量子ドット（２Ｄ ＱＤ）であってよい。第１の光吸収材料は、複数の二次元ナノシート（２Ｄナノシート）であってよい。第１の光吸収材料は、複数の従来のＱＤであってよい。第２の光吸収材料は、複数の２Ｄ ＱＤ、複数の２Ｄナノシート、又は複数の従来のＱＤであってよい。第２の光吸収材料は、複数の２Ｄ ＱＤであってよい。第２の光吸収材料は、複数の２Ｄナノシートであってよい。第２の光吸収材料は、複数の従来のＱＤであってよい。実施形態では、第１の光吸収材料は複数の２Ｄナノシートであり、第２の光吸収材料は複数の２Ｄ ＱＤであってよい。実施形態では、第１の光吸収材料は複数の第１の２Ｄ ＱＤであり、第２の光吸収材料は複数の第２の２Ｄ ＱＤであってよい。実施形態では、第１の光吸収材料は複数の２Ｄ ＱＤであり、第２の光吸収材料は複数の従来のＱＤであってよい。実施形態では、第１の光吸収材料は複数の従来のＱＤであり、第２の光吸収材料は複数の２Ｄ ＱＤであってよい。実施形態では、第１の光吸収材料は複数の２Ｄ ＱＤであり、第２の光吸収材料は複数の２Ｄナノシートであってよい。第１の光吸収材料は、第２の光吸収材料の価電子帯及び伝導帯からオフセットされた価電子帯及び伝導帯を有しており、内蔵電場が形成されてよい。第１の光吸収層及び第２の光吸収層は、約５０ｎｍ乃至約８００ｎｍの範囲の合計の厚さを有してよい。第１の光吸収層及び第２の光吸収層の一方は、電荷輸送材料を更に含んでよい。第１の光吸収材料及び第２の光吸収材料の一方が複数の２Ｄナノシートであり、複数の２Ｄナノシートは、１乃至１０個の原子又は分子のモノレイヤーの厚さと量子閉じ込めレジームを超えて延びる横方向の寸法とを有してよい。
図１は、本開示の様々な態様に従って２Ｄ ＱＤ増感型有機フォトダイオードを製造するために２Ｄ ＱＤと組み合わせられ得る、種々の電荷輸送ポリマーの化学構造を示している。
図２は、本開示の様々な態様に従っており、有機フォトダイオード内に２Ｄ ＱＤを含む光検出器デバイスの概略図である。
図３は、本開示の様々な態様に従っており、２Ｄ ＱＤの第１の層と２Ｄナノシートの第２の層とを含むヘテロ構造光検出器の概略図である。
図４は、本開示の様々な態様に従っており、２Ｄ ＱＤの第１の層と２Ｄ ＱＤの第２の層とを含むヘテロ構造フォトダイオードの概略図である。
図５は、本開示の様々な態様に従っており、従来のＱＤの第１の層と２Ｄ ＱＤの第２の層とを含むヘテロ構造光検出器の概略図である。
図６は、本開示の様々な態様に従っており、２Ｄ ＱＤの第１の層と従来のＱＤの第２の層とを含むヘテロ構造光検出器の概略図である。
図７は、本開示の様々な態様に従っており、２Ｄナノシートの第１の層と２Ｄ ＱＤの第２の層とを含むヘテロ構造光検出器の概略図である。
実施形態に関する以下の説明は、本質的に単に例示的であって、本開示の主題、それらの用途又は使用を限定することを全く意図していない。
全体を通して用いられているように、範囲は、どの値も範囲内にあることを記載するための省略表現として用いられている。範囲内の値として、範囲の末端を選択してもよい。特に明記しない限り、本明細書中で、そして本明細書内のどこかで表される全てのパーセンテージ及び量は、重量パーセンテージを指すと理解されるべきである。
本明細書及び添付の特許請求の範囲について、特に明記しない限り、本明細書及び特許請求の範囲に用いられる量、パーセンテージ、又は割合を表す全ての数、並びに他の数字で示される値は、全ての例において、用語「約」によって修飾されていると理解されるべきである。用語「約」の使用は、明示的に示されるか否かを問わず、全ての数値に当てはまる。当該用語は、通常、当業者であれば、挙げられた数値に対するずれの妥当な量とみなすこととなる（即ち、機能又は結果が同等である）数の範囲を指す。例えば、当該用語は、与えられた数値の±１０パーセント、或いは±５パーセント、或いは±１パーセントのずれを含むと解釈されてよい。但し、そのようなずれが、値の境界機能又は結果を変更しない場合に限られる。従って、特に明記しない限り、本明細書及び添付の特許請求の範囲において示される数値パラメータは、本発明が得ようとする所望の特性に応じて変動し得る近似値である。
なお、本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられる単数の形態「ある」や「その」は、明示的且つ明解に１つの指示対象に限定されない限り、複数の言及を含む。本明細書中で用いられる用語「含む」及びその文法上の変形は、リスト内の部材の説明が、リストにされた部材に置換されてよい、又は加えられてよい他の同様の部材を除外しないような非限定であることが意図される。例えば、本明細書及び以下の特許請求の範囲において用いられる用語「備える」（及びその形態、派生語、又は変形（「備えている」等））、「含む」（及びその形態、派生語、又は変形（「含んでいる」等））、及び「有する」（及びその形態、派生語、又は変形（「有している」等））は、包括的（即ち、オープンエンド）であり、追加の要素も工程も除外しない。従って、これらの用語は、挙げられた要素又は工程をカバーするだけでなく、明示的に挙げられていない他の要素又は工程を含んでもよいことが意図される。更に、本明細書中で用いられる用語「ある」の、要素と併せて用いられる場合の使用は、「１つ」を意味し得るが、「１つ以上」、「少なくとも１つ」、及び「１又は複数」の意味とも矛盾しない。従って、「ある」の後の要素は、更に制約がなければ、追加の同一要素の存在を排除しない。
コロイド状ＱＤの特性の研究とその光電子デバイスの開発とは、２０年以上にわたって大きな関心事となっている。最近、二次元の量子ドット（２Ｄ ＱＤ）の特異な特性への関心が高まってきている。本明細書では、「２Ｄ量子ドット」又は「２Ｄ ＱＤ」は、厚さが約１〜５つの原子又は分子のモノレイヤーであって、横方向の寸法がナノ粒子の量子閉じ込めレジームを、即ち、バルク材料の特性とは異なるナノ粒子の電子特性をもたらす半導体ナノ粒子を指す。理解できるように、量子閉じ込めレジームを示す電子特性をナノ粒子にもたらす横方向の寸法は、異なる組成のナノ粒子の間で変化し得る。しかしながら、通常、そのような横方向の寸法は１〜１００ｎｍであり得る。本明細書では、用語「２Ｄナノシート」は、１〜１０つの原子又は分子のモノレイヤーの厚さを有しており、量子閉じ込めレジームを超えるほど横方向の寸法が十分に大きい粒子を表すために使用される。本明細書では、「単層量子ドット」又は「単層ＱＤ」は、厚さが単一モノレイヤーであり、ナノ粒子が量子閉じ込めレジームにあることをもたらす横方向の寸法を有する半導体ナノ粒子を指す。従来の０次元（０Ｄ）ＱＤと比較して、２Ｄ ＱＤは表面積対体積比が非常に高く、表面積対体積比はモノレイヤーの数が減少するにつれて増加する。最も高い表面積対体積比は、単層のＱＤに見られる。これは、従来のＱＤとは非常に異なる表面化学的性質を有する２Ｄ ＱＤをもたらし、それは、多くの用途に利用できる可能性がある。これまで、２Ｄ ＱＤの研究の大半は層状材料、例えば、炭素系材料（例えば、グラフェンや酸化グラフェン）やＴＭＤＣ、特にＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳ２、及びＷＳｅ２のＱＤなどを中心に行われてきた。しかしながら、最近では、ＩＩ−ＶＩ族半導体などの従来の半導体材料の２Ｄナノ粒子の合成に関心が持たれている［Ｅ．Ｌｈｕｉｌｌｉｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，２０１５，４８，２２；Ａ．Ｒｉｅｄｉｎｇｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔ．Ｍａｔｅｒ．，２０１７，１６，７４３］。
幾つかの実施形態では、光検出器はフォトダイオードである。フォトダイオードは通常、ｐ−ｎ接合を基礎としている。フォトダイオードでは、十分なエネルギーの光子がデバイスにぶつかると、電子−正孔対が生成される。吸収が、接合の空乏領域又はそこから１拡散長離れたところで起こると、空乏領域の内蔵電場によってキャリアが接合から除去されることで、正孔が陽極に移動し、電子が陰極に向かって移動して、光電流が生じる。
幾つかの実施形態では、光検出器はフォトコンダクタである。フォトコンダクタは、光を照射することで起こる半導体の伝導度の一時的な変化を検出するデバイスである。光子は光励起キャリアを生成し、光励起キャリアは、光検出器のアノード電極とカソード電極の間に印加された電圧バイアスによって生じる電場によって取り出される。
幾つかの実施形態では、光検出器は、ベース−コレクタ接合部を有するフォトトランジスタである。フォトトランジスタはフォトダイオードに似ており、ｎ型領域が更に追加されている。フォトトランジスタは、内部ゲインを有するフォトダイオードを含んでいる。それは、バイポーラトランジスタが透明ケースに収められており、光子がベース−コレクタ接合部に到達できるようになっていると表すことができる。ベース−コレクタ接合部において光子から生成された電子がベースに注入されて、電流が増幅される。
３種類の光検出器は夫々異なる特性を有しており、様々な用途に利用される。フォトトランジスタとフォトダイオードは同じようなレートで検出するが、フォトトランジスタの方が応答時間が遅い（フォトダイオードがナノ秒であるのに対して、フォトトランジスタはマイクロ秒である）。フォトトランジスタはゲインが高く、一方、フォトダイオードは温度による変化が少ない。
少なくとも１つの実施形態では、２Ｄ ＱＤ増感型有機フォトダイオードが用いられる。少なくとも１つの実施形態では、２Ｄ ＱＤと、量子閉じ込めレジームを大幅に超える横方向の寸法を有する２Ｄナノシート層とを含むヘテロ構造光検出器が使用される。少なくとも１つの実施形態では、第１の２Ｄ ＱＤ層と別の材料の２Ｄ ＱＤの第２の層とからなるヘテロ構造の光検出器が使用される。少なくとも１つの実施形態では、従来のＱＤ層と２Ｄ ＱＤ層とからなるヘテロ構造の光検出器が使用される。
図２は、本開示の様々な態様に従った光検出器２００の概略図である。光検出器２００は、下側電極２１０と、下側電極２１０上に配置された中間層２２０と、中間層２２０上に配置されており、電荷輸送材料に分散された２Ｄ ＱＤを含む層２３０と、２Ｄ ＱＤ含有層２３０上に配置された上側電極２４０とを備える。図２に示す装置構成では、上側電極２４０及び下側電極２１０のうちの１又は複数が、光を通過させるために透明であってよい。下側電極２１０は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）やアルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）などの透明導電性酸化物を含んでよい。上側電極２４０は、アルミニウム、銀などの１又は複数の低加工性金属で構成されてよい。
中間層２２０は、下側にある下側電極２１０との電気的接触を改善する役割を果たす。中間層２２０は任意の適切な材料で、例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ＭｏＯ３、或いは、亜鉛、チタン、バナジウム、又はニッケルを有する金属酸化物などで作られてよい。中間層２２０の厚さは、約１ｎｍ乃至約１０００ｎｍ、或いは約１０ｎｍ乃至約１０００ｎｍ、或いは約１００ｎｍ乃至約１０００ｎｍの範囲とすることができる。
図２に模式的に示されている、電荷輸送材料に分散された２Ｄ ＱＤを含む層２３０は、１又は複数の有機電荷輸送材料（電子及び／又は正孔を受容して輸送する有機材料）に２Ｄ ＱＤを分散させて（ブレンド又は混合させて）、ヘテロ接合を形成することによって製造されてよい。適切な電荷輸送材料の例としては、以下のものが挙げられるが、これらに限定されない。［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ（Ｎ−オクチルジチエノ［３，２−ｂ：２’３’ｄ］ピロール−ａｌｔ−５，６−ビス（オクチルオキシ）ベンゾ［ｃ］［１，２，５］チアジアゾール）（ＰＤＴＰＢＴ）、ポリ［（９，９−ジオクチルフルオレニル−２，７−ジイル−ｃｏ（４，４０−（Ｎ−４−ｓｅｃ−ブチルフェニル））ジフェニルアミン）］（ＴＦＢ）、ポリ（Ｎ，Ｎ’−ビス（４−ブチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ビス（フェニル）−ベンジジン）（ポリ−ＴＰＤ）、ポリ（２−メトキシ−５（２’−エチルヘキシルオキシ）−１，４−フェニルエチレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ）、ポリ（２，５−ジ（２’−エチルヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＤＥＨ−ＰＰＶ）、ポリ［２，６−（４，４’−ビス（２−エチルヘキシル）ジチエノ［３，２−ｂ：２’，３’−ｄ］シロール−ａｌｔ−４，７（２，１，３−ベンゾチアジアゾール）（ＰＳＢＴＢＴ）、ポリ［２，６−（４，４−ビス（２−エチルヘキシル）４Ｈ−シクロペンタ［２，１−ｂ；３，４−ｂ’］ジチオフェン）−ａｌｔ−４，７−（２，１，３−ベンゾチアジアゾール）］（ＰＣＰＤＴＢＴ）、ポリ（２，３−ジデシル−キノキサリン−５，８−ジイル−ａｌｔ−Ｎ−オクチルジチエノ［３，２−ｂ：２’３’−ｄ］ピロール）（ＰＤＴＰＱｘ）、ジチエノ［３，２−ｂ：２，３−ｄ］ピロール（ＤＴＰ）、ポリ（９，９−ｎ−ジヘキシル−２，７−フルオレニレンビニレン−ａｌｔ−２，５−チエニレンビニレン（ＰＦＴ）、エトキシル化ポリエチレンイミン（ＰＥＩＥ）、１−１−ビス［（ジ−４−トリルアミノフェニル］シクロヘキサン（ＴＡＰＣ）、Ｃ６０、多層カーボンナノチューブ、及びその他のポリマー。それらの幾つかの構造を図１に示す。図１では、ＰＤＴＰＢＴの数平均モル質量Ｍｎは、約１７ｋｇｍｏｌ−１乃至約１９ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。図１では、ＰＤＢＦのＭｎは、約１１ｋｇｍｏｌ−１乃至約１３ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。図１では、ＰＤＴＤのＭｎは、約３０ｋｇｍｏｌ−１乃至約３５ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。図１では、ＰＤＴＴのＭｎは、約３０ｋｇｍｏｌ−１乃至約３５ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。図１では、ＰＤＦＴのＭｎは、約３５ｋｇｍｏｌ−１乃至約４０ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。図１では、ＰＢＤＴＴＰＤのＭｎは、約１０ｋｇｍｏｌ−１乃至約３５ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。図１では、ＰＢＤＴ−Ｔ８−ＴＰＤのＭｎは、約３５ｋｇｍｏｌ−１乃至約４０ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。図１では、Ｐ３ＨＴのＭｎは、約５０ｋｇｍｏｌ−１乃至約８０ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。図１では、ＰＢＤＴ−Ｔ−ＦＤＰのＭｎは、約５０ｋｇｍｏｌ−１乃至約６０ｋｇｍｏｌ−１の範囲であってよい。
２Ｄ増感型有機フォトダイオードにおける有機材料としての使用に適した別の材料は、スピロ−ＯＭｅＴＡＤである。これは、ＵＶ検出特性と正孔輸送特性の両方を提供する可能性がある（Ｇｕｏ ｅｔ ａｌ．、Ｊ Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｃ，２０１８，６，２５７３参照）。上述したように、下側コンタクトとの電気的接続を改善するために、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルフォネート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）などの中間層を使用することができるが、これらに限定されない。他の適切な材料としては、溶液処理可能なＭｏＯ３又はＶ２ＯＸが、ＰＥＤＯＴの代わりに挙げられる。
幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層２３０は、約１０ｖｏｌ％乃至約９５ｖｏｌ％の２Ｄ ＱＤと、約５ｖｏｌ％乃至約９０ｖｏｌ％の１又は複数の電荷輸送材料とを含んでいる。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層２３０は、約２０ｖｏｌ％乃至約９０ｖｏｌ％、或いは約３０ｖｏｌ％乃至約８５ｖｏｌ％、或いは約４０ｖｏｌ％乃至約８０ｖｏｌ％、或いは約５０ｖｏｌ％乃至約７５ｖｏｌ％、或いは約６０ｖｏｌ％乃至約７０ｖｏｌ％の２Ｄ ＱＤを含んでいる。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層２３０は、約１０ｖｏｌ％乃至約８０ｖｏｌ％、或いは約１５ｖｏｌ％乃至約７０ｖｏｌ％、或いは約２０ｖｏｌ％乃至約６０ｖｏｌ％、或いは約２５ｖｏｌ％乃至約５０ｖｏｌ％、或いは約３０ｖｏｌ％乃至約４０ｖｏｌ％の１又は複数の電子輸送材料を含んでいる。
２Ｄ ＱＤ含有層２３０の厚さは、約１０ｎｍ乃至約２ミクロン、或いは約５０ｎｍ乃至約１ミクロン、或いは約１００ｎｍ乃至約７５０ｎｍ、或いは約２００ｎｍ乃至約５００ｎｍの範囲とすることができる。
図３は、本開示の様々な態様に従ったヘテロ構造光検出器３００の概略図である。ヘテロ構造光検出器３００は、下側電極３１０と、下側電極３１０上に配置されており、２Ｄナノシートを有する第１層３２０と、２Ｄナノシートを含有する第１の層３２０上に配置されており、２Ｄ ＱＤを有する第２の層３３０と、２Ｄ ＱＤを含有する第２の層３３０上に配置された上側電極３４０とを備えている。この構成では、上側電極３４０及び下側電極３１０の１又は複数は透明であって、その中を光が通過できてよい。ヘテロ接合を形成するために、層３２０及び層３３０における２Ｄ ＱＤ及び２Ｄナノシートは、２Ｄ ＱＤの伝導帯及び価電子帯が２Ｄナノシートの伝導帯及び価電子帯からオフセットされるように選択されており、内蔵電場が生成される。これは、異なる半導体バンドギャップを有する２Ｄ ＱＤ及び２Ｄナノシート材料の選択、並びに／或いは第２の２Ｄ ＱＤ及び／又は２Ｄナノシートの横方向の寸法を調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤ及び／又は２Ｄナノシートの厚さを調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤ及び２Ｄナノシートの一方又は両方の表面を、材料のバンドギャップを変更する様々なリガンドで機能化することによって達成することができる。接合部の幅によって、吸収される光の波長を制御できる。
２Ｄナノシート含有層３２０及び２Ｄ ＱＤ含有層３３０の各々の厚さは、約１０ｎｍ乃至約１ミクロン、或いは約２５ｎｍ乃至約７５０ｎｍ、或いは約５０ｎｍ乃至約５００ｎｍ、或いは約７５ｎｍ乃至約４００ｎｍ、或いは約１００ｎｍ乃至約３００ｎｍの範囲とすることができる。２Ｄナノシート含有層３２０及び２Ｄ ＱＤ含有層３３０の合計の厚さは、好ましくは約５０ｎｍ乃至約８００ｎｍ、より好ましくは約１００ｎｍ乃至約７００ｎｍ、更に好ましくは約２００ｎｍ乃至約６００ｎｍである。幾つかの実施形態では、２Ｄナノシート含有層３２０及び２Ｄ ＱＤ含有層３３０は、同じ又は実質的に同じ厚さを有する。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層３３０は、２Ｄナノシート含有層３２０よりも厚い。幾つかの実施形態では、２Ｄナノシート含有層３２０は、２Ｄ ＱＤ含有層３３０よりも厚い。
２Ｄ ＱＤ含有層３３０は、２Ｄ ＱＤ含有層２３０と同じ又は実質的に同じ組成を有するようにすることができる。２Ｄ ＱＤ含有層２３０と同様に、２Ｄナノシート含有層３２０は、約１０ｖｏｌ％乃至約９５ｖｏｌ％の２Ｄナノシートと、約５ｖｏｌ％乃至約９０ｖｏｌ％の１又は複数の電荷輸送材料とを含んでいる。幾つかの実施形態では、２Ｄナノシート含有層３２０は、約２０ｖｏｌ％乃至約９０ｖｏｌ％、或いは約３０ｖｏｌ％乃至約８５ｖｏｌ％、或いは約４０ｖｏｌ％乃至約８０ｖｏｌ％、或いは約５０ｖｏｌ％乃至約７５ｖｏｌ％、或いは約６０ｖｏｌ％乃至約７０ｖｏｌ％の２Ｄナノシートを含んでいる。幾つかの実施形態では、２Ｄナノシート含有層３２０は、約１０ｖｏｌ％乃至約８０ｖｏｌ％、或いは約１５ｖｏｌ％乃至約７０ｖｏｌ％、或いは約２０ｖｏｌ％乃至約６０ｖｏｌ％、或いは約２５ｖｏｌ％乃至約５０ｖｏｌ％、或いは約３０ｖｏｌ％乃至約４０ｖｏｌ％の１又は複数の電子輸送材料を含んでいる。
幾つかの実施形態では、ヘテロ構造光検出器３００は、下側電極３１０と２Ｄナノシート含有層３２０との間に配置される中間層（図示せず）を更に含むことができる。この中間層は、光検出器２００の中間層２２０と同じ材料で作ることができる。図３では、２Ｄナノシート含有層３２０及び２Ｄ ＱＤ含有層３３０は、別々の層として示されている。幾つかの実施形態では、遷移層（図示せず）が２Ｄナノシート含有層３２０と２Ｄ ＱＤ含有層３３０の間に配置され、遷移層は、２Ｄナノシートと２Ｄ ＱＤの組合せを有してよい。幾つかの実施形態では、２Ｄナノシートと２Ｄ ＱＤの相対的な量は、遷移層の厚さを通じて均一又は実質的に均一にされてよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、２Ｄナノシート含有層３２０から２Ｄ ＱＤ含有層３３０にかけて２Ｄナノシートの量が減少してよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、２Ｄナノシート含有層３２０から２Ｄ ＱＤ含有層３３０にかけて２Ｄ ＱＤの量が増加してよい。
図４は、本開示の様々な態様に従った別のヘテロ構造光検出器４００の概略図である。ヘテロ構造光検出器４００は、下側電極４１０と、下側電極４１０上に配置されており、２Ｄ ＱＤを有する第１の層４２０と、２Ｄ ＱＤを含有する第１の層４２０上に配置されており、２Ｄ ＱＤを有する第２の層４３０と、２Ｄ ＱＤを含有する第２の層４３０上に配置された上側電極４４０とを備えている。この構成では、上側電極４２０及び下側電極４１０の１又は複数は透明であって、その中を光が通過できてよい。ヘテロ接合を形成するために、第１の層４２０における２Ｄ ＱＤと、第２の層４３０における２Ｄ ＱＤとは、第１の層４２０における２Ｄ ＱＤの伝導帯及び価電子帯が、第２の層４３０における２Ｄ ＱＤの伝導帯及び価電子帯からオフセットされるように選択される。これは、異なる半導体バンドギャップを有する材料の第１及び第２の２Ｄ ＱＤの選択、並びに／或いは第１及び第２の２Ｄ ＱＤの横方向の寸法を調整すること、並びに／或いは第１及び第２の２Ｄ ＱＤの厚さを調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤの一方又は両方の表面を材料のバンドギャップを変更する様々なリガンドで機能化することによって達成することができる。幾つかの実施形態では、第１及び第２の２Ｄ ＱＤの夫々の化学組成は同じ又は実質的に同じであるが、第１及び第２の２Ｄ ＱＤは、横方向の寸法、厚さ、及び表面の機能化１又は複数が異なる。接合部の幅によって、吸収される光の波長を制御できる。
２Ｄ ＱＤ含有層４２０、４３０の各々の組成及び／又は厚さは、２Ｄ ＱＤ含有層２３０について上述したように変化させることができる。２Ｄ ＱＤ含有層４２０、４３０の合計の厚さは、好ましくは約５０ｎｍ乃至約８００ｎｍ、より好ましくは約１００ｎｍ乃至約７００ｎｍ、更に好ましくは約２００ｎｍ乃至約６００ｎｍである。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層４２０、４３０の各々は、同じ又は実質的に同じ厚さを有する。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層４２０は、２Ｄ ＱＤ含有層４３０よりも厚い。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層４３０は、２Ｄ ＱＤ含有層４２０よりも厚い。
幾つかの実施形態では、ヘテロ構造光検出器４００は、下側電極４１０と２Ｄ ＱＤ含有層４２０との間に配置される中間層（図示せず）を更に含むことができる。この中間層は、光検出器２００の中間層２２０と同じ材料で作ることができる。図４では、２Ｄ ＱＤ含有層４２０及び２Ｄ ＱＤ含有層４３０は、別々の層として示されている。幾つかの実施形態では、遷移層（図示せず）が２Ｄ ＱＤ含有層４２０と２Ｄ ＱＤ含有層４３０の間に配置され、遷移層は、第１の２Ｄ ＱＤ（即ち、層４２０の２Ｄ ＱＤ）と第２の２Ｄ ＱＤ（即ち、層４３０の２Ｄ ＱＤ）の組合せを有してよい。幾つかの実施形態では、第１の２Ｄ ＱＤと第２の２Ｄ ＱＤの相対的な量は、遷移層の厚さを通じて均一又は実質的に均一にされてよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、２Ｄ ＱＤ含有層４２０から２Ｄ ＱＤ含有層４３０にかけて第１の２Ｄ ＱＤの量が増加してよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、２Ｄ ＱＤ含有層４２０から２Ｄ ＱＤ含有層４３０にかけて第２の２Ｄ ＱＤの量が増加してよい。
図５は、本開示の様々な態様に従った更に別のヘテロ構造光検出器５００の概略図である。ヘテロ構造光検出器５００は、下側電極５１０と、下側電極５１０上に配置されており、２Ｄ ＱＤを有する第１の層５２０と、２Ｄ ＱＤを含有する第１の層５２０上に配置されており、従来のＱＤを有する第２の層５３０と、従来のＱＤを含有する第２の層５３０上に配置された上側電極５４０とを備えている。この構成では、上側電極５４０及び下側電極５１０の１又は複数は透明であって、その中を光が通過できてよい。ヘテロ接合を形成するために、第１の２Ｄ ＱＤ層５２０と、第２の従来のＱＤ層５３０とは、第１の２Ｄ ＱＤ層における伝導帯及び価電子帯が、第２の従来のＱＤ層における伝導帯及び価電子帯からオフセットされるように選択される。これは、異なる半導体バンドギャップを有する材料の従来のＱＤ及び２Ｄ ＱＤの選択、並びに／或いは従来のＱＤの直径を調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤの横方向の寸法を調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤの厚さを調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤ及び従来の２Ｄ ＱＤの一方又は両方の表面を材料のバンドギャップを変更する様々なリガンドで機能化することによって達成することができる。接合部の幅によって、吸収される光の波長を制御できる。
２Ｄ ＱＤ含有層５２０は、２Ｄ ＱＤ含有層２３０と同じ又は実質的に同じ組成を有するようにすることができる。２Ｄ ＱＤ含有層２３０と同様に、２Ｄナノシート含有層５２０は、約１０ｖｏｌ％乃至約９５ｖｏｌ％の２Ｄナノシートと、約５ｖｏｌ％乃至約９０ｖｏｌ％の１又は複数の電荷輸送材料とを含んでいる。幾つかの実施形態では、従来のＱＤ含有層５３０は、約２０ｖｏｌ％乃至約９０ｖｏｌ％、或いは約３０ｖｏｌ％乃至約８５ｖｏｌ％、或いは約４０ｖｏｌ％乃至約８０ｖｏｌ％、或いは約５０ｖｏｌ％乃至約７５ｖｏｌ％、或いは約６０ｖｏｌ％乃至約７０ｖｏｌ％の従来のＱＤを含んでいる。幾つかの実施形態では、従来のＱＤ含有層５３０は、約１０ｖｏｌ％乃至約８０ｖｏｌ％、或いは約１５ｖｏｌ％乃至約７０ｖｏｌ％、或いは約２０ｖｏｌ％乃至約６０ｖｏｌ％、或いは約２５ｖｏｌ％乃至約５０ｖｏｌ％、或いは約３０ｖｏｌ％乃至約４０ｖｏｌ％の１又は複数の電子輸送材料を含んでいる。幾つかの実施形態では、ヘテロ構造光検出器５００は、下側電極５１０と２Ｄ ＱＤ含有層５２０との間に配置される中間層（図示せず）を更に含むことができる。この中間層は、光検出器２００の中間層２２０と同じ材料で作ることができる。図５では、２Ｄ ＱＤ含有層５２０及び２Ｄ ＱＤ含有層５３０は、別々の層として示されている。
幾つかの実施形態では、遷移層（図示せず）が２Ｄ ＱＤ含有層５２０と従来のＱＤ含有層５３０の間に配置され、遷移層は、２Ｄ ＱＤ（即ち、層５２０の２Ｄ ＱＤ）と従来のＱＤ（即ち、層５３０の従来のＱＤ）の組合せを有してよい。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤと従来のＱＤの相対的な量は、遷移層の厚さを通じて均一又は実質的に均一にされてよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、２Ｄ ＱＤ含有層５２０から従来のＱＤ含有層５３０にかけて２Ｄ ＱＤの量が減少してよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、２Ｄ ＱＤ含有層５２０から従来のＱＤ含有層５３０にかけて従来のＱＤの量が増加してよい。
図６は、本開示の様々な態様に従った更に別のヘテロ構造光検出器６００の概略図である。ヘテロ構造光検出器６００は、下側電極６１０と、下側電極６１０上に配置されており、従来のＱＤを有する第１の層６２０と、従来のＱＤを含有する第１の層６２０上に配置されており、２Ｄ ＱＤを有する第２の層６３０と、２Ｄ ＱＤを含有する第２の層６３０上に配置された上側電極６４０とを備えている。この構成では、上側電極６４０及び下側電極６１０の１又は複数は透明であって、その中を光が通過できてよい。ヘテロ接合を形成するために、ＱＤを含有する第１の層６２０と、２Ｄ ＱＤを含有する第２の層６３０とは、従来のＱＤの伝導帯及び価電子帯が、２Ｄ ＱＤの伝導帯及び価電子帯からオフセットされるように選択される。これは、異なる半導体バンドギャップを有する、材料の従来のＱＤ及び２Ｄ ＱＤの選択、並びに／或いは従来のＱＤの直径を調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤの横方向の寸法を調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤの厚さを調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤ及び従来の２Ｄ ＱＤの一方又は両方の表面を、材料のバンドギャップを変更する様々なリガンドで機能化することによって達成することができる。接合部の幅によって、吸収される光の波長を制御できる。
従来のＱＤ含有層６２０の組成及び／又は厚さは従来のＱＤ含有層５２０について上述したたように、２Ｄ ＱＤ含有層６３０の組成及び／又は厚さは、２Ｄ ＱＤ含有層５２０について上述したように変化させることができる。従来のＱＤ含有層６２０及び２Ｄ ＱＤ含有層６３０の合計の厚さは、好ましくは約５０ｎｍ乃至約８００ｎｍ、より好ましくは約１００ｎｍ乃至約７００ｎｍ、更に好ましくは約２００ｎｍ乃至約６００ｎｍである。幾つかの実施形態では、従来のＱＤ含有層６２０及び２Ｄ ＱＤ含有層６３０の各々は、同じ又は実質的に同じ厚さを有する。幾つかの実施形態では、ＱＤ含有層６２０は、２Ｄ ＱＤ含有層６３０よりも厚い。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層６３０は、従来のＱＤ含有層６２０よりも厚い。
幾つかの実施形態では、ヘテロ構造光検出器６００は、下側電極６１０と従来のＱＤ含有層６２０との間に配置される中間層（図示せず）を更に含むことができる。この中間層は、光検出器２００の中間層２２０と同じ材料で作ることができる。図６では、従来のＱＤ含有層６２０及び２Ｄ ＱＤ含有層６３０は、別々の層として示されている。幾つかの実施形態では、遷移層（図示せず）が従来のＱＤ含有層６２０と２Ｄ ＱＤ含有層６３０の間に配置され、遷移層は、従来のＱＤ（即ち、層６２０の従来のＱＤ）と２Ｄ ＱＤ（即ち、層６３０の２Ｄ ＱＤ）の組合せを有してよい。幾つかの実施形態では、従来のＱＤと２Ｄ ＱＤの相対的な量は、遷移層の厚さを通じて均一又は実質的に均一にされてよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、従来のＱＤ含有層６２０から２Ｄ ＱＤ含有層６３０にかけて従来のＱＤの量が減少してよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、従来のＱＤ含有層６２０から２Ｄ ＱＤ含有層６３０にかけて２Ｄ ＱＤの量が増加してよい。
図７は、本開示の様々な態様に従ったヘテロ構造光検出器７００の概略図である。ヘテロ構造光検出器７００は、下側電極７１０と、下側電極７１０上に配置されており、２Ｄ ＱＤを有する第１の層７２０と、２Ｄ ＱＤを含有する第１の層７２０上に配置されており、２Ｄナノシートを有する第２の層７３０と、２Ｄナノシートを含有する第２の層７３０上に配置された上側電極７４０とを備えている。この構成では、上側電極７４０及び下側電極７１０の１又は複数は透明であって、その中を光が通過できてよい。ヘテロ接合を形成するために、層７２０及び層７３０における２Ｄ ＱＤ及び２Ｄナノシートは、２Ｄ ＱＤの伝導帯及び価電子帯が２Ｄナノシートの伝導帯及び価電子帯からオフセットされるように選択されており、内蔵電場が生成される。これは、異なる半導体バンドギャップを有する２Ｄ ＱＤ及び２Ｄナノシート材料の選択、並びに／或いは第２の２Ｄ ＱＤ及び／又は２Ｄナノシートの横方向の寸法を調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤ及び／又は２Ｄナノシートの厚さを調整すること、並びに／或いは２Ｄ ＱＤ及び２Ｄナノシートの一方又は両方の表面を材料のバンドギャップを変更する様々なリガンドで機能化することによって達成することができる。接合部の幅によって、吸収される光の波長を制御できる。
２Ｄ ＱＤ含有層７２０の組成及び／又は厚さは２Ｄ ＱＤ含有層３３０について上述したように、２Ｄナノシート含有層７３０の組成及び／又は厚さは２Ｄナノシート含有層３２０について上述したように変化させることができる。２Ｄ ＱＤ含有層７２０及び２Ｄナノシート含有層７３０の合計の厚さは、好ましくは約５０ｎｍ乃至約８００ｎｍ、より好ましくは約１００ｎｍ乃至約７００ｎｍ、更に好ましくは約２００ｎｍ乃至約６００ｎｍである。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層７２０及び２Ｄナノシート含有層７３０は、同じ又は実質的に同じ厚さを有する。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤ含有層７２０は、２Ｄナノシート含有層７３０よりも厚い。幾つかの実施形態では、２Ｄナノシート含有層７３０は、２Ｄ ＱＤ含有層７２０よりも厚い。
幾つかの実施形態では、ヘテロ構造光検出器７００は、下側電極７１０と２Ｄ ＱＤ含有層７２０との間に配置される中間層（図示せず）を更に含むことができる。この中間層は、光検出器２００の中間層２２０と同じ材料で作ることができる。図７では、２Ｄ ＱＤ含有層７２０及び２Ｄナノシート含有層７３０は、別々の層として示されている。幾つかの実施形態では、遷移層（図示せず）が２Ｄ ＱＤ含有層７２０と２Ｄナノシート含有層７３０の間に配置され、遷移層は、２Ｄ ＱＤ（即ち、層７２０の２Ｄ ＱＤ）と２Ｄナノシート（即ち、層７３０の２Ｄナノシート）の組合せを有してよい。幾つかの実施形態では、２Ｄ ＱＤと２Ｄナノシートの相対的な量は、遷移層の厚さを通じて均一又は実質的に均一にされてよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、２Ｄ ＱＤ含有層７２０から２Ｄナノシート含有層７３０にかけて２Ｄ ＱＤの量が減少してよい。幾つかの実施形態では、遷移層は傾斜を示し、２Ｄ ＱＤ含有層７２０から２Ｄナノシート含有層７３０にかけて２Ｄナノシートの量が増加してよい。
本開示の様々な態様に従った２Ｄ ＱＤは、コロイド状に合成され、溶液処理を介して堆積されてよい。適切な２Ｄ ＱＤ材料としては、以下のものが挙げられるが、これらに限定されない。
グラフェン、酸化グラフェン、及び還元酸化グラフェン。
ＴＭＤＣ。例えば、ＷＯ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２、ＭｎＯ２、ＭｏＯ２、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＮｉＯ２、ＮｉＴｅ２、ＮｉＳｅ２、ＶＯ２、ＶＳ２、ＶＳｅ２、ＴａＳ２、ＴａＳｅ２、ＲｕＯ２、ＲｈＴｅ２、ＰｄＴｅ２、ＨｆＳ２、ＮｂＳ２、ＮｂＳｅ２、ＮｂＴｅ２、ＦｅＳ２、ＴｉＯ２、ＴｉＳ２、ＴｉＳｅ２、及びＺｒＳ２。
遷移金属トリカルコゲニド。例えば、ＴａＯ３、ＭｎＯ３、ＷＯ３、ＺｒＳ３、ＺｒＳｅ３、ＨｆＳ３、及びＨｆＳｅ３。
１３−１６（ＩＩＩ−ＶＩ）族化合物。例えば、ＩｎＳ、ＩｎＳｅ、ＧａＳ、ＧａＳｅ、及びＧａＴｅ。
１５−１６（ＩＶ−ＶＩ）族化合物。例えば、Ｂｉ２Ｓｅ３及びＢｉ２Ｔｅ３。
窒化物。例えば、ｈ−ＢＮ。
酸化物。例えば、ＬａＶＯ３、ＬａＭｎＯ３、Ｖ２Ｏ５、ＬａＮｂＯ７、Ｃａ２Ｎｂ３Ｏ１０、Ｎｉ（ＯＨ）２、Ｅｕ（ＯＨ）２、層状銅酸化物、マイカ、及びビスマス・ストロンチウム・カルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）。
リン化物。例えば、Ｌｉ７ＭｎＰ４及びＭｎＰ４。
１４族元素の２Ｄ同素体。例えば、シリセン、ゲルマネン、及びスタネン。
前述の材料では、隣接する層はファンデルワールス相互作用を介して保持される。このファンデルワールス相互作用を、例えば液相剥離（ＬＰＥ）などの剥離技術によって容易に破壊して、２Ｄフレークを形成することができる。代替的な実施形態では、２Ｄ ＱＤは、従来のように層状にされていない半導体材料で構成されてよく、以下を含むがこれらに限定されない。
１２−１６（ＩＩ−ＶＩ）族半導体。例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、及びＣｄＴｅ。
１３−１５（ＩＩＩ−Ｖ）族材料。例えば、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、及びＩｎＡｓ。
１５−１６（Ｖ−ＶＩ）族材料。例えば、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、及びＰｂＴｅ。
Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族材料。例えば、ＣｕＧａＳ２、ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＧａ（Ｓ，Ｓｅ）２、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎ（Ｓ，Ｓｅ）２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２、ＣｕＩｎＴｅ２、ＡｇＩｎＳ２、及びＡｇＩｎＳｅ２。Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族材料のドープ種及び合金も含まれる。
上述の材料の２Ｄ ＱＤは、例えば、物理的又は化学的な切断プロセスを介して形成されてよい。具体的には、所望の形状、サイズ、及び組成のゼロ次元（０Ｄ）、１次元（１Ｄ）、又は３次元（３Ｄ）を形成した後、化学処理、例えば還流、ＬＰＥと還流、又はインターカレーションと剥離などの処理を行い、３Ｄ又は０Ｄナノ粒子の固有の形状で決まるような均一なサイズの２Ｄ ＱＤを形成してよい。このプロセスは拡張性があり、均一な特徴を有する二次元ＱＤを大量に生産することができる。本明細書では、ナノ粒子の「切断（cutting）」とは、ナノ粒子を２つ以上の部分に分離することを意味する。この用語は、分離方法の限定を意味するものではなく、物理的又は化学的な分離方法を含み得る。物理的な分離方法には、機械的剥離（所謂、「スコッチテープ法（Scotch tape method）」）、デラミネーション、グラインディング、及びミリングなどが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書では、ナノ粒子の「化学切断（chemical cutting）」とは、ナノ粒子を２つ以上の部分に分離し、分離は化学的処理で達成されることを意味する。特定の実施形態では、化学処理は、ナノ粒子の溶液又は分散液への熱、圧力、真空、超音波、及び／又は撹拌の適用、化学エッチング、並びにインターカレーションを含んでよい。化学切断法の非限定的な例としては、溶液中のナノ粒子を還流すること、ナノ粒子をＬＰＥした後に還流すること、又は、ナノ粒子のインターカレーション及び剥離が挙げられる。
０Ｄ、１Ｄ、又は３Ｄナノ粒子の２Ｄ ＱＤへの切断は、任意の適切な技術を用いて行われてよい。適切な例としては、化学的又は物理的な剥離プロセスが挙げられる。ある実施形態では、予め作製されたナノ粒子の切断は、予め作製されたナノ粒子を溶媒中で超音波処理することを含むＬＰＥなどの化学的方法によって行われる。溶媒の表面張力は、剥離される材料の表面張力に合わせて選択されてよい。幾つかの実施形態では、剥離されたナノ粒子はその後、溶液で還流される。
幾つかの実施形態では、０Ｄ、１Ｄ、又は３Ｄナノ粒子の切断は、事前に剥離をすることなく、予め作製されたナノ粒子を溶液で還流させることによって行われてよい。当業者であれば、０Ｄ、１Ｄ、又は３Ｄナノ粒子の溶液を還流させる温度は、溶液を形成する溶媒の沸点に依存することを認識するだろう。特定の理論に拘束されるものではないが、１つ可能性のある機構は、熱の印加によって０Ｄ、１Ｄ、又は３Ｄのナノ粒子内の層が熱膨張し、溶液の還流によって、層を化学的に切り離すガスが作られることである。幾つかの実施形態では、溶液は配位溶媒を含んでいる。適切な配位溶媒の例としては、限定ではないが、以下が含まれる。例えば、Ｃ６−Ｃ５０アルキルアミンなどの飽和アルキルアミン；例えば、オレイルアミンなどの不飽和脂肪アミン；例えば、ミリスチン酸、パルミチン酸、及びオレイン酸などの脂肪酸；例えば、トリオクチルホスフィン（ＴＯＰ）などのホスフィン；例えば、トリオクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）などのホスフィンオキシド；例えば、ヘキサデカノール、ベンジルアルコール、エチレングリコール、及びプロピレングリコールなどのアルコール。一級溶媒、二級溶媒、三級溶媒、及び分岐溶媒も挙げられる。幾つかの実施形態では、溶液は、限定ではないが、Ｃ１１−Ｃ５０アルカンなどの非配位性溶媒を含む。幾つかの実施形態では、溶媒の沸点は、１５０℃乃至６００℃、例えば１６０℃乃至４００℃、より具体的には１８０℃乃至３６０℃である。特定の実施形態では、溶媒はヘキサデシルアミンである。
更に別の実施形態では、予め作製されたナノ粒子の切断は、インターカレーション及び剥離によるプロセスによって行われる。ＴＭＤＣ多層ナノ構造のインターカレーション及び剥離は、ルイス塩基インターカレートを用いて行うことができる。第１のインターカレーション剥離プロセスは、予め作製されたナノ粒子を、第１のインターカレート剤及び第２のインターカレート剤の存在下で、第１の溶媒中で第１の時間にわたって撹拌することによって行われてよい。任意で、第２の溶媒を続いて加えて、その後、第２の時間をかけて撹拌してよい。幾つかの実施形態では、第２のインターカレーション剥離プロセスは、第１のインターカレーション剥離プロセスの生成物を、第３のインターカレート剤及び第３の溶媒と混合して、第３の時間にわたって撹拌することによって行われる。任意で、第４の溶媒を続いて加えて、その後、第４の時間をかけて撹拌してよい。第１のインターカレート剤及び第２のインターカレート剤は炭化水素を含んでおり、第１のインターカレート剤の炭化水素鎖長は第２のインターカレート剤の炭化水素鎖長と異なっていてよい。第３のインターカレート剤は、第１のインターカレート剤及び／又は第２のインターカレート剤と同じであってよく、異なっていてもよい。適切な第１、第２及び第３のインターカレート剤は、以下のものを含んでよいが、これらに限定されない。
ルイス塩基。例えば、プロピルアミン、ヘキシルアミンなどのアミンと、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシドなどのアルコキシドと、ヘキサノエートナトリウムなどのカルボキシレートと、３−アミノ−１−プロパノールなどのアミノアルコールとがある。
アミノチオール。例えば、システアミン、６−アミノ−１−ヘキサンチオール、及び８−アミノ−１−オクタンチオール。
アルキルアミノ酸を含むアミノ酸。例えば、３−アミノプロパン酸（β−アラニン）、６−アミノヘキサン酸、及び８−アミノオクタン酸。
金属塩。例えば、一般式ＭＸｎ（ＭはＭｏ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｉｎ）、Ｘはハライド（特にＣｌ−、Ｂｒ−、Ｉ−）である金属塩、アセテート、カプリレート、パリマテート、ラウレート、ミリステート、及びオレエート。別の適切な金属塩には、［ＭｏＣｌ５］２がある。
一般的に、インターカレーション剥離プロセスが行われる溶媒の選択は、ナノ粒子及びインターカレート剤の選択に依存するであろう。インターカレーション及び剥離中においては、ナノ粒子が溶媒によく分散又は溶解していることが好ましい。更に、インターカレート剤が溶媒に可溶であることが好ましい。第２の溶媒は、第１の溶媒と異なっていてよい。第３の溶媒は、第１の溶媒又は第２の溶媒と同じであってよく、第１の溶媒及び第２の溶媒の両方と異なっていてもよい。幾つかの実施形態では、適切な溶媒として、例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ−メチルホルムアミド（ＮＭＦ）、アセトニトリルなどの極性非プロトン性溶媒が挙げられる。幾つかの実施形態では、適切な溶媒として、例えば、プロパノールやイソプロパノールなどの極性プロトン性溶媒が挙げられる。
第１の時間は、約１時間乃至約１ヶ月、或いは約２時間乃至約２週間、或いは約４時間乃至約３日の範囲であってよい。第２の時間は、約１時間乃至約２ヶ月、或いは約２日乃至約２週間、或いは約１週間乃至約３週間の範囲であってよい。第３の時間は、約１時間乃至約１ヶ月、或いは約２時間乃至約２週間、或いは約４時間乃至約３日の範囲であってよい。第４の時間は、約１時間乃至約２ヶ月、或いは約２日乃至約２週間、或いは約１週間乃至約３週間の範囲であってよい。一般的に、この時間は、溶媒とインターカレート剤の選択、ナノ粒子内における結合の強さ、溶液中のナノ粒子及びインターカレート剤の濃度などの要因に依存しており、時間が長くなるほど２Ｄナノフレークの収率が高くなり得る。
幾つかの実施形態では、第１及び／又は第２及び／又は後続のインターカレーション剥離プロセスは、超音波処理を用いて行われてよい。撹拌の代わりに超音波を用いることで、化学切断プロセスを達成するまでの時間を短縮することが容易になり得る。
０Ｄ、１Ｄ、又は３Ｄナノ粒子の２Ｄ ＱＤへの切断は、任意の適切な技術を用いて行われてよい。特定の実施形態では、２Ｄ ＱＤはその後、遠心分離、ろ過、透析又はカラムクロマトグラフィーなどの技術によって溶液から分離されてよい。得られた２Ｄナノフレークを溶媒に分散させてインクを形成してよく、当該インクを、ドロップキャスティング、スピンコーティング、スリットコーティング、スプレーコーティング、スロットダイコーティング、インクジェット印刷、ドクターブレードなどの従来の溶液ベースの成膜技術を用いて堆積させて、薄膜を形成してもよい。２Ｄ ＱＤの特性における固有の均一性によって、得られる薄膜の均一性の度合いは高くなり得る。膜の厚さは、例えば、インクの濃度を変えること、及び／又は２Ｄ ＱＤのサイズを変えることで制御できる。
２Ｄナノシートの層は、機械的剥離、化学的気相成長（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ラテラルヘテロエピタキシー（lateral heteroepitaxy）、気固成長（vapor-solid growth）などの技術を用いて形成できるが、これらに限定されない。２Ｄナノシート含有層用の適切な２Ｄナノシートとしては、以下が挙げられるが、これらに限定されない。
グラフェン、酸化グラフェン、及び還元酸化グラフェン。
ＴＭＤＣ。例えば、ＷＯ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２、ＭｎＯ２、ＭｏＯ２、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＮｉＯ２、ＮｉＴｅ２、ＮｉＳｅ２、ＶＯ２、ＶＳ２、ＶＳｅ２、ＴａＳ２、ＴａＳｅ２、ＲｕＯ２、ＲｈＴｅ２、ＰｄＴｅ２、ＨｆＳ２、ＮｂＳ２、ＮｂＳｅ２、ＮｂＴｅ２、ＦｅＳ２、ＴｉＯ２、ＴｉＳ２、ＴｉＳｅ２、及びＺｒＳ２。
遷移金属トリカルコゲニド。例えば、ＴａＯ３、ＭｎＯ３、ＷＯ３、ＺｒＳ３、ＺｒＳｅ３、ＨｆＳ３、及びＨｆＳｅ３。
１３−１６（ＩＩＩ−ＶＩ）族化合物。例えば、ＩｎＳ、ＩｎＳｅ、ＧａＳ、ＧａＳｅ、及びＧａＴｅ。
１５−１６（ＩＶ−ＶＩ）族化合物。例えば、Ｂｉ２Ｓｅ３及びＢｉ２Ｔｅ３。
窒化物。例えば、ｈ−ＢＮ。
酸化物。例えば、ＬａＶＯ３、ＬａＭｎＯ３、Ｖ２Ｏ５、ＬａＮｂＯ７、Ｃａ２Ｎｂ３Ｏ１０、Ｎｉ（ＯＨ）２、Ｅｕ（ＯＨ）２、層状銅酸化物、マイカ、及びＢＳＣＣＯ。
リン化物。例えば、Ｌｉ７ＭｎＰ４及びＭｎＰ４。
１４族元素の２Ｄ同素体。例えば、シリセン、ゲルマネン、及びスタネン。
従来のＱＤの層を含むデバイスでは、そのＱＤ層は、以下を含む材料から形成されてよいが、これらに限定されない。
ＩＩＡ−ＶＩＢ（２−１６）族材料。周期表の第２族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、及びＢａＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＢ−ＶＩＢ（１２−１６）族材料。周期表の第１２族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、及びＨｇＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩ−Ｖ族材料。周期表の第１２族の第１の元素と周期表の第１５族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｚｎ３Ｐ２、Ｚｎ３Ａｓ２、Ｃｄ３Ｐ２、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｃｄ３Ｎ２、及びＺｎ３Ｎ２が挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−Ｖ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１５族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＢＰ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＮ、及びＢＮが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−ＩＶ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１４族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｂ４Ｃ、Ａｌ４Ｃ３、及びＧａ４Ｃが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−Ｖ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ａｌ２Ｓ３、Ａｌ２Ｓｅ３、Ａｌ２Ｔｅ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇａ２Ｓｅ３、ＧｅＴｅ、Ｉｎ２Ｓ３、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｇａ２Ｔｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３、及びＩｎＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＶ−ＶＩ族材料。周期表の第１４族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、及びＳｎＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
Ｖ−ＶＩ族材料。周期表の第１５族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｓｂ２Ｓｅ３、及びＳｂ２Ｔｅ３が挙げられるが、これらに限定されない。
周期表の遷移金属である任意の族の第１の元素と、周期表の第１６族の第２の元素とで構成されるナノ粒子材料。更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＮｉＳ、ＣｒＳ、ＣｕＩｎＳ２、及びＡｇＩｎＳ２が挙げられるが、これらに限定されない。
幾つかの実施形態では、本開示の様々な態様によるヘテロ構造デバイスにおいて、半導体材料の相対バンドギャップが選択されて、タイプＩのヘテロ構造、例えば、ＭｏＴｅ２ ２Ｄ ＱＤの層又はＭｏＴｅ２ ２Ｄナノシート層を有するＷＳｅ２ ２Ｄ ＱＤが形成されてよい。幾つかの実施形態では、半導体材料の相対バンドギャップが選択されて、タイプＩＩのヘテロ構造、例えば、ＷＳｅ２ ２Ｄ ＱＤ層を有するＰｂＳ ＱＤや、ＷＳｅ２ ２Ｄ ＱＤ層又はＷＳｅ２ナノシート層の何れかを有するＭｏＳ２ ２Ｄ ＱＤが形成されてよい。
幾つかの実施形態では、２Ｄ層の１又は複数の層の厚さは、単一モノレイヤーであってよい。増感剤をできるだけ薄くすることは、電荷遮蔽効果、柔軟性、及びデバイスの透明性を最大限に高めるために有利であり得る。吸収深さに近い厚さが、入射光を最大限に吸収するために望ましい場合がある。しかしながら、より厚いデバイスが、より強い吸収力を得るために望ましい場合もあり得る。材料の厚さを調整することは、バンドギャップを制御する手段ももたらす。それ故に、幾つかの実施形態では、２Ｄ層の１又は複数の層の厚さは、１乃至５モノレイヤーであってよい。幾つかの実施形態では、２Ｄナノシート層は、単一モノレイヤーであってよい。モノレイヤーは、フューレイヤー（few-layer）やバルク材料よりも有利な特性をもたらし得る。例えば、遷移金属ジカルコゲナイドは、モノレイヤー形成時に間接バンドギャップから直接バンドギャップへの変化を示す。
２Ｄ ＱＤ層内における電荷輸送を促進するために、様々な戦略が考えられ得る。例えば、固有の２Ｄ ＱＤリガンドが短鎖リガンドに置き換えられてよい。本明細書では、「短鎖リガンド」とは、炭素数が８以下の炭化水素鎖を有するリガンドを意味する。適切な短鎖リガンドの例としては、１−オクタンチオール、１−ヘプタンチオール、１−ヘキサンチオール、１−ペンタンチオール、１−ブタンチオール、及び１−プロパンチオールなどのアルカンチオールと、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、オクチルアミン、及びアリルアミンなどのアルキルアミンと、オクタン酸、ヘプタン酸、ヘキサン酸、ペンタン酸、ブタン酸、及びプロパン酸などのカルボン酸とが挙げられるが、これらに限定されない。他の適切なリガンドには、ピリジン及びピロリドンが挙げられる。幾つかの実施形態では、架橋リガンドが使用されて、隣接する２Ｄ ＱＤ間の接続性を向上させてよい。適切な例には、エタンジチオールや３−メルカプトプロピオン酸などの二座リガンドが挙げられるが、これらに限定されない。
２Ｄ ＱＤ間の接続性を向上させるための更なる戦略には、カルコゲンリガンドの使用が含まれてよい。この方法では、有機表面リガンドを除去し、カルコゲンリガンドでＱＤ表面を不動態化することで、ＱＤが「ネッキングされて（necked）」よい。幾つかの実施形態では、隣接するＱＤが融合されてよい。融合した２Ｄ ＱＤを用いて、２Ｄ ＱＤがそれらの外側表面の融合していない部分にリガンドを含むような膜が形成されてよい。融合することで、２Ｄ ＱＤは、個々の特性を実質的に維持する一方で、電流が容易に流れることができる領域で結合される。ある実施形態では、合成したままの２Ｄ ＱＤにリガンド交換が施されて、固有のリガンドをより短い又はより揮発性の高いリガンドに置き換えてもよい。その後、リガンド交換した２Ｄ ＱＤを溶液堆積し、次に、短鎖リガンドを除去し、２Ｄ ＱＤの幾つかが隣のＱＤと接触するように２Ｄ ＱＤを近接させてよい。これは、「ネッキング（necking）」として知られている。続いて、ネッキングされた２Ｄ ＱＤをアニールして、２Ｄ ＱＤを互いに融合させてもよい。一般的に、融合した２Ｄ ＱＤとその間の接続部とは欠陥状態を含まないので、それらの間で電流が容易に流れることが可能となる。
光検出器５００の従来のＱＤ含有層５３０又は光検出器６００の従来のＱＤ含有層６２０のように、従来のＱＤが使用される場合、従来のＱＤは、２乃至１００ｎｍの範囲のサイズを有するコア、コアシェル、又はコアマルチシェルＱＤであってよい。コアの材料は以下を含んでよい。
ＩＩＡ−ＶＩＡ（２−１６）族材料。周期表の第２族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、及びＢａＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＢ−ＶＩＡ（１２−１６）族材料。周期表の第１２族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、及びＨｇＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩ−Ｖ族材料。周期表の第１２族の第１の元素と周期表の第１５族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｚｎ３Ｐ２、Ｚｎ３Ａｓ２、Ｃｄ３Ｐ２、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｃｄ３Ｎ２、及びＺｎ３Ｎ２が挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−Ｖ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１５族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＢＰ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＮ、及びＢＮが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−ＩＶ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１４族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｂ４Ｃ、Ａｌ４Ｃ３、及びＧａ４Ｃが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−ＶＩ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ａｌ２Ｓ３、Ａｌ２Ｓｅ３、Ａｌ２Ｔｅ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇａ２Ｓｅ３、ＧｅＴｅ、Ｉｎ２Ｓ３、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｇａ２Ｔｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３、及びＩｎＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＶ−ＶＩ族材料。周期表の第１４族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、及びＳｎＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
Ｖ−ＶＩ族材料。周期表の第１５族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｓｂ２Ｓｅ３、及びＳｂ２Ｔｅ３が挙げられるが、これらに限定されない。
周期表の遷移金属である任意の族の第１の元素と、周期表の第１６族の第２の元素とで構成されるナノ粒子材料。更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＮｉＳ、ＣｒＳ、ＣｕＩｎＳ２、及びＡｇＩｎＳ２が挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書及び特許請求の範囲において、用語「ドープされたナノ粒子」は、上述のナノ粒子と、大抵の場合は遷移金属又は稀土類元素である１又は複数の主族元素又は稀土類元素で構成されるドーパントとを指しており、例えば、以下に限定されないが、マンガンを有する硫化亜鉛、例えばＭｎ＋でドープされたＺｎＳナノ粒子である。
用語「三元材料」は、本明細書及び特許請求の範囲において、上述のＱＤであるが、３成分材料を指す。３つの成分は、通常、言及された族の元素の組成物である。例として、（ＺｎＸＣｄｘ−１Ｓ）ｍＬｎナノ結晶（Ｌは、キャッピング剤である）がある。
用語「四元材料」は、本明細書及び特許請求の範囲において、上述のナノ粒子であるが、４成分材料を指す。４つの成分は、通常、言及された族の元素の組成物である。例として、（ＺｎｘＣｄｘ−１ＳｙＳｅｙ−１）ｍＬｎナノ結晶（Ｌは、キャッピング剤である）がある。
大抵の場合、コア粒子上に成長する任意のシェル又は以降の複数のシェルに用いる材料は、コア材料に類似の格子型の材料である、即ち、コア材料に近い格子整合を有するので、コア上にエピタキシャルに成長することができるが、必ずしも、このような適合性の材料に制限されるわけではない。大抵の場合、存在するコア上に成長した任意のシェル又は以降の複数のシェルに用いた材料は、コア材料よりも広いバンドギャップを有することとなるが、必ずしも、このような適合性の材料に制限されるわけではない。コア上に成長する任意のシェル又は以後の複数のシェルの材料としては、以下を含む材料が挙げられ得る。
ＩＩＡ−ＶＩＡ（２−１６）族材料。周期表の第２族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、及びＳｒＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＢ−ＶＩＡ（１２−１６）族材料。周期表の第１２族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、及びＨｇＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩ−Ｖ族材料。周期表の第１２族の第１の元素と周期表の第１５族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｚｎ３Ｐ２、Ｚｎ３Ａｓ２、Ｃｄ３Ｐ２、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｃｄ３Ｎ２、及びＺｎ３Ｎ２が挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−Ｖ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１５族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＢＰ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＮ、及びＢＮが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−ＩＶ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１４族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｂ４Ｃ、Ａｌ４Ｃ３、及びＧａ４Ｃが挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＩＩ−ＶＩ族材料。周期表の第１３族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料及び四元材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ａｌ２Ｓ３、Ａｌ２Ｓｅ３、Ａｌ２Ｔｅ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇａ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｓ３、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｇａ２Ｔｅ３、及びＩｎ２Ｔｅ３が挙げられるが、これらに限定されない。
ＩＶ−ＶＩ族材料。周期表の第１４族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、及びＳｎＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。
Ｖ−ＶＩ族材料。周期表の第１５族の第１の元素と周期表の第１６族の第２の元素とで構成されており、更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｓｂ２Ｓｅ３、及びＳｂ２Ｔｅ３が挙げられるが、これらに限定されない。
周期表の遷移金属である任意の族の第１の元素と、周期表の第１６族の第２の元素とで構成されるナノ粒子材料。更には、三元材料、四元材料、及びドープされた材料も含まれる。ナノ粒子材料としては、ＮｉＳ、ＣｒＳ、ＣｕＩｎＳ２、及びＡｇＩｎＳ２が挙げられるが、これらに限定されない。
２Ｄ ＱＤ層内における接続性を高めるための上述の手法は、従来のＱＤ層にも適用されてよい。
本開示の様々な態様に従った光検出器デバイスは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）回路と統合することができる。２Ｄ ＱＤを含むデバイスは、ＣＭＯＳ技術を用いて、例えば、予め製造されたＣＭＯＳ電子読み出し回路上に２Ｄ ＱＤ層をスピンコートすることで製造されてよい。ＣＭＯＳ回路への統合は、小さなピクセルを形成して高解像度のセンサーを実現するために望ましいかも知れない。
幾つかの実施形態では、スペクトル感度が異なる領域を有する多数の画素がモノリシックに集積されてよい。各ピクセルのスペクトル感度は、２Ｄ ＱＤの横方向の寸法及び／又は厚さを変えることで調整されてよい。
幾つかの実施形態では、本開示の様々な態様に従ったフォトトランジスターデバイスは、ゲートで制御されてよい。ゲートは、ゲート電圧を変化させることでスイッチとして又はアンプとして機能するので、制御機構として機能し、高機能化を可能とする。特に、２Ｄ材料の高いキャリア移動度は、ゲインがキャリア移動度に正比例するため、有利であり得る。
上記は、本発明の原理を具体化した特定の実施形態を提示する。当業者は、本明細書に明示的に開示されていなくても、本発明の原理を具体化し、故に本発明の範囲内である代替案及び変形例を考え出すことができるであろう。本発明の特定の実施形態を示して説明したが、それらは本特許が保護するものを限定することを意図したものではない。当業者であれば、特許請求の範囲によって文言上及び均等で保護される本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更及び修正を行うことができることは理解できるだろう。

Claims (20)

  1. 第１の電極と、
    前記第１の電極上に配置された中間層と、
    前記中間層上に配置された光吸収層と、
    を備えており、
    前記光吸収層は、
    １又は複数の電荷輸送材料と、
    前記１又は複数の電荷輸送材料に分散した複数の二次元量子ドット（２Ｄ ＱＤ）と、
    前記光吸収層上に配置された第２の電極と、
    を備える、光検出器。
  2. 前記中間層は、約１ｎｍ乃至約１０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記光吸収層は、約１０ｖｏｌ％乃至約９５ｖｏｌ％の２Ｄ ＱＤを含んでいる、請求項１又は請求項２に記載の光検出器。
  4. 前記光吸収層は、約５ｖｏｌ％乃至約９０ｖｏｌ％の前記１又は複数の電気輸送材料を含んでいる、請求項１乃至３の何れかに記載の光検出器。
  5. 前記光吸収層は、約１０ｎｍ乃至約２ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項４に記載の光検出器。
  6. 前記２Ｄ ＱＤは、約１乃至約５つの原子又は分子のモノレイヤーの厚さと、前記２Ｄ ＱＤを量子閉じ込めレジームに置くのに十分な横方向の寸法とを有する、請求項１乃至５の何れかに記載の光検出器。
  7. 第１の電極と、
    前記第１の電極上に配置されており、第１の光吸収材料を含む第１の光吸収層と、
    前記第１の光吸収層上に配置されており、第２の光吸収材料を含む第２の光吸収層と、
    前記第２の光吸収層上に配置された第２の電極と、
    を備える、ヘテロ構造光検出器。
  8. 前記第１の電極と前記第１の光吸収層との間に配置された中間層を更に備える、請求項７に記載のヘテロ構造光検出器。
  9. 前記第１の光吸収層と前記第２の光吸収層との間に配置された遷移層を更に備えており、前記遷移層は、前記第１の光吸収材料及び前記第２の光吸収材料の組合せを含む、請求項７又は請求項８に記載のヘテロ構造光検出器。
  10. 前記第１の光吸収材料は、複数の二次元量子ドット（２Ｄ ＱＤ）、複数の二次元ナノシート（２Ｄナノシート）、又は複数の従来のＱＤである、請求項７乃至９の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  11. 前記第２の光吸収材料は、複数の２Ｄ ＱＤ、複数の２Ｄナノシート、又は複数の従来のＱＤである、請求項７乃至１０の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  12. 前記第１の光吸収材料は複数の２Ｄナノシートであり、前記第２の光吸収材料は複数の２Ｄ ＱＤである、請求項７乃至１１の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  13. 前記第１の光吸収材料は複数の第１の２Ｄ ＱＤであり、前記第２の光吸収材料は複数の第２の２Ｄ ＱＤである、請求項７乃至１１の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  14. 前記第１の光吸収材料は複数の２Ｄ ＱＤであり、前記第２の光吸収材料は複数の従来のＱＤである、請求項７乃至１１の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  15. 前記第１の光吸収材料は複数の従来のＱＤであり、前記第２の光吸収材料は複数の２Ｄ ＱＤである、請求項７乃至１１の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  16. 前記第１の光吸収材料は複数の２Ｄ ＱＤであり、前記第２の光吸収材料は複数の２Ｄナノシートである、請求項７乃至１１の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  17. 前記第１の光吸収材料は、前記第２の光吸収材料の価電子帯及び伝導帯からオフセットされた価電子帯及び伝導帯を有しており、内蔵電場が形成されている、請求項７乃至１６の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  18. 前記第１の光吸収層及び前記第２の光吸収層は、約５０ｎｍ乃至約８００ｎｍの範囲の合計の厚さを有する、請求項７乃至１７の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  19. 前記第１の光吸収層及び前記第２の光吸収層の一方は、電荷輸送材料を更に含んでいる、請求項７乃至１８の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
  20. 前記第１の光吸収材料及び前記第２の光吸収材料の一方は複数の２Ｄナノシートであり、前記複数の２Ｄナノシートは、１乃至１０個の原子又は分子のモノレイヤーの厚さと量子閉じ込めレジームを超えて延びる横方向の寸法とを有する、請求項７乃至１２及び１６乃至１９の何れかに記載のヘテロ構造光検出器。
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