TWI729467B - 基於二維量子點之光偵測器 - Google Patents

基於二維量子點之光偵測器 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種光偵測器，其包括：第一電極；安置於該第一電極上之間層；安置於該間層上之光吸收層，該光吸收層具有一或多種電荷輸送材料及分散於該一或多種電荷輸送材料中之複數個二維量子點(2D QD)；及安置於該光吸收層上之第二電極。一種異質結構光偵測器，其包括：第一電極；安置於該第一電極上之第一光吸收層，該第一光吸收層具有第一光吸收材料；安置於該第一光吸收層上之第二光吸收層，該第二光吸收層具有第二光吸收材料；及安置於該第二光吸收層上之第二電極。

Description

基於二維量子點之光偵測器
本發明大體上係關於通常稱為「量子點」(quantum dot，QD)之半導體奈米粒子。更特定言之，其係關於由二維材料構成之量子點及其在光偵測器中之用途。
先前技術之描述，包括在37 CFR 1.97及1.98下揭示之資訊。
光偵測器為響應入射光子產生電信號的裝置。光偵測器或光感測器響應入射於其上之光或其他電磁能量之強度。固態光偵測器具有將光之光子轉換成電流之p-n接面。所吸收光子在空乏區域中形成電子-電洞對。光電二極體、光導體及光電晶體為光偵測器之實例。在某種意義上，太陽能電池為光偵測器，因為其將其吸收之一些光能轉換成電能，其數量可由適當電路感測。
光電二極體通常基於p-n接面。在光電二極體中，當具有足夠能量之光子撞擊裝置時，產生電子-電洞對。若吸收發生在接面之空乏區域中或離其一個擴散長度處，則空乏區域之內建式電場使得載流子自接面掃過，其中電洞朝向陽極移動且電子朝向陰極移動，從而產生光電流。
光導體為偵測由用光照明產生之半導體之電導率暫時變化的裝置。光子產生光激載流子，其由經由施加於電極之間的電壓偏壓產生之電場提取。
光電晶體類似於光電二極體，其中添加另一n型區域。光電晶體包括具有內部增益之光電二極體。其可呈現為雙極電晶體，其封於透明盒中以使得光子可達至基極集極接面。將自基極集極接面中之光子產生之電子注入基極中，從而放大電流。
三種類型之光偵測器各自具有不同特性，因此適用於不同應用。光電晶體及光電二極體以類似速率偵測，但光電晶體響應時間較慢(微秒vs.光電二極體之奈秒)。光電晶體具有較高增益，而光電二極體隨著溫度變化較小。
光偵測器可用於不同組態中。單一感測器可偵測總體亮度級。如在分光光度計或線路掃描器中之光偵測器之1-D陣列可用於量測沿著線路的光分佈。光偵測器之2-D陣列可用作影像感測器以自入射於其上之光之圖案形成影像。
光偵測器或陣列通常由可具有抗反射塗層之照明窗口覆蓋。
存在許多效能量度(所謂的「優值」)，藉由效能量度可表徵及比較光偵測器。一個效能量度為譜響應(光偵測器之響應隨光子頻率變化)。另一效能量度為量子效率(quantum efficiency，QE；每個光子產生之載流子(電子或電洞)之數目)。又一效能量度為響應率(responsibility，R；輸出電流除以落在光偵測器上之總光功率)。R=QE/E光子，其中E光子為以eV為單位之光子能)。又一效能量度為雜訊等效功率(noise-equivalent power，NEP；最小可偵測功率，亦即當頻寬限於1Hz時，偵測器中之電信號與雜訊比等於一(0dB)時之光信號)。又一效能量度為特定偵測能力(detectivity，D*；偵測器面積A乘以頻率頻寬B之平方根，除以雜訊等效功率；D*=[
Figure 108130050-A0305-02-0005-1
(AB)]/NEP)。又一效能量度為增益(gain，G；光偵測器之輸出電流除以由入射於偵測器上之光子直接產生的電流，亦即內建式電流增益)。又一效能量度為暗電流(dark current，Id；甚至在不存在光的情況下流經光偵測器之電流。又一效能量度為響應時間(response time，τ；光偵測器之最終輸出率自10%至90%所需之時間)。又一效能量度為雜訊譜(隨頻率而變之固有雜訊電壓或電流；此可表示為雜訊譜密度之形式)。又一效能量度為非線性(RF-輸出受光偵測器之非線性限制)。又一效能量度為譜選擇性(截止波長，超過該截止波長時響應信號與雜訊位準相當或比其小)。
為實現光偵測器高效能，需要高響應率、短響應時間、高比密度及寬譜選擇性波長範圍之組合。
對於諸如成像感測器之應用，對具有跨越紫外(ultraviolet，UV)至近紅外(near-infrared，NIR)範圍之靈敏度的溶液可處理之光偵測器的關注逐漸增加。備受關注的為1-1.8μm範圍，在該範圍下水之吸光率較低。
已認識到膠態量子點(QD)作為光吸收劑用於光偵測應用之潛在用途，其中研究在很大程度上集中於含有毒性鉛之PbS QD。
已研究2D材料，包括石墨烯及過渡金屬二硫屬化物(transition metal dichalcogenide，TMDC)作為光偵測應用之光吸收劑，其歸因於其光學特性及機械可撓性之組合。已廣泛地研究基於石墨烯之光 偵測器且展示其呈現高載流子遷移率、極佳穩定性、高機械強度及跨越可見光至遠IR之光譜響應。然而，開放石墨烯能帶隙之困難引起高暗電流，限制其對於光偵測之適用性。分層TMDC提供許多優點，包括可藉由層數目調諧之能帶隙。其亦與互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)技術相容，該技術可用於建構積體電路，使得能夠開發具有低功率消耗之多功能、高效能光偵測器。
由於具有高響應率、寬頻光譜及高偵測度的光偵測器的狹窄厚度限制光吸收，因此當前難以使用單一TMDC產生該等光偵測器。使用高吸收敏化劑可幫助改良光吸收效率，但敏化劑需要足夠薄以保持2D材料之優點。為了高效電荷分離及轉移，亦需要高載流子遷移率及與TMDC之能帶結構充分對準之能帶結構。
膠態QD已作為敏化劑與TMDC層片組合使用，以實現敏感、快速及寬頻光偵測器。舉例而言，PbS QD已與WSe2奈米層片組合使用[C.Hu等人，Adv.Funct.Mater.2017,27,1603605]且CdS/ZnS QD已與WS2單層組合使用[A.Baulesbaa,K.Wang,M.Mahjouri-Somani,M.Tian,A.A.Puretzky,I.Ivanov,C.M.Rouleau,K.Xiao,B.G.Sumpter及D.B.Grohegan,J.Am.Chem.Soc.,2016,138,14713]。
與QD相比，奈米層片具有較大接觸面積，因此已研究具有諸如石墨烯之材料之2D奈米層片及其他與TMDC結合之分層材料的混合裝置。對於具有2D異質結構作為敏化劑之裝置，在異質結構介面處形成肖特基障壁(Schottky barrier)可使得固有電場在介面處提供高效電荷轉移。
因此，膠態QD與2D奈米層片皆可對光偵測器應用提供優 點。
光偵測應用中慣常使用結晶矽。然而，其吸收限於低於1.1μm，此意謂其不能吸收大部分IR光譜。另外，其吸收在其光譜範圍內較弱，僅在500nm下超過104cm-1。在UV區內，在與偵測皮膚癌相關之波長下，矽中之超短吸收波長使得在高度重組表面狀態附近產生電子-電洞對。此限制標準矽裝置中之UV靈敏度。因此，可吸收超出矽之範圍之光的材料已受到極大關注。
磊晶生長之QD已用於光偵測應用，但可能難以處理。全有機金屬半導體對於光偵測應用可易於處理。然而，迄今為止少有適合於製造近紅外線範圍中之光電二極體的具有窄能帶隙之可用小有機分子或聚合物。
QD光電二極體裝置可超出有機半導體之光譜範圍調整成近紅外線範圍，但主要問題為對基於有毒重金屬(諸如鉛或鎘)之QD的依賴。
已探索併有基於2D材料，諸如石墨烯及TMDC之光吸收劑的光偵測器。優點包括其獨特光學特徵及機械可撓性。其他所需特性包括高載流子遷移率、化學穩定性、機械強度及可自可見光調節至遠IR區之譜響應。特定言之，基於TMDC之光偵測器可藉由改變層數目來調諧。亦已探索兩種不同分層材料之異質結構。兩個有利地安置之材料之間的弱凡得瓦爾力(van der Waals)相互作用可產生高品質異質接面，而不引入歸因於兩種材料之間的晶格失配之問題。
已描述一種包含基於CdSe之2D奈米小片及石墨烯之異質結構裝置。[A.Robin,E.Lhuillier及B.Dubertret,MRS Adv.,2016,2187； A.Robin,E.Lhuillier,X.Z.Xu,S.Ithurria,H.Aubin,A.Ouerghi及B.Dubertret,Sci.Rep.,2016,6,24909]。此裝置利用奈米小片之強吸收率及石墨烯之高載流子遷移率。2D奈米小片具有在1nm至5nm之間的厚度及高達1μm之橫向尺寸，使得橫向尺寸比波爾半徑(Bohr radius)大得多。此等奈米小片之缺點為其不能提供能帶隙可調諧性。
對於併有2D材料層的光偵測器，必須解決之一個問題為消除深度位準陷阱狀態，其對響應速度不利。
儘管已報導多個併有2D材料之光偵測器裝置，但先前技術依賴於難以按比例縮放之剝離或CVD沈積方法。
根據本發明之各種態樣之光偵測器可包含複數個半導體奈米粒子，該複數個半導體奈米粒子具有在量子侷限範疇中之橫向尺寸且具有介於1個原子或分子單層與5個原子或分子單層之間的厚度(包括端點)(「2D量子點」或「2D QD」)。
在光偵測器應用中使用QD之一些優點包括強可調諧之吸收光譜及溶液可處理性。使用2D材料之一些優點包括高接觸面積及表面平坦性、經材料厚度之吸收率之可調諧性、高遷移率及高透明度。
藉由使用2D QD(而非其他習知QD形式(亦即0D球形QD、例如奈米棒之1D QD，或3D QD，例如奈米立方體、奈米菱角塊、奈米金字塔等))及/或2D分層材料，可實現QD及2D材料之組合優勢。額外吸收可調諧性可藉由修改QD厚度來達成，且2D QD可由無毒材料構成，從而減輕對基於重金屬(諸如鎘及鉛)之QD之毒性的擔憂。
溶液可處理光偵測器在感測器應用中具有特定益處。
200:光偵測器
210:底部電極
220:間層
230:含2D QD層
240:頂部電極
300:異質結構光偵測器
310:底部電極
320:含2D奈米層片層
330:含2D QD層
340:頂部電極
400:異質結構光偵測器
410:底部電極
420:含2D QD層
430:含2D QD層
440:頂部電極
500:異質結構光偵測器
510:底部電極
520:含2D QD層
530:含習知QD層
540:頂部電極
600:異質結構光偵測器
610:底部電極
620:含習知QD層
630:含2D QD層
640:頂部電極
700:異質結構光偵測器
710:底部電極
720:含2D QD層
730:含2D奈米層片層
740:頂部電極
圖1展示各種電荷輸送聚合物之化學結構，該等聚合物可根據本發明之各種態樣與2D QD組合以產生2D QD敏化有機光電二極體。
圖2為根據本發明之各種態樣的在有機光電二極體內包含2D QD之光偵測器裝置的示意性描述。
圖3為根據本發明之各種態樣之包含第一2D QD層及第二2D奈米層片層的異質結構光偵測器之示意性描述。
圖4為根據本發明之各種態樣之包含第一2D QD層及第二2D QD層之異質結構光電二極體的示意性描述。
圖5為根據本發明之各種態樣之包含第一習知QD層及第二2D QD層的異質結構光偵測器之示意性描述。
圖6為根據本發明之各種態樣之包含第一2D QD層與第二習知QD層的異質結構光偵測器的示意性描述。
圖7為根據本發明之各種態樣之包含第一2D奈米層片層及第二2D QD層的異質結構光偵測器之示意性描述。
相關申請之交叉引用
本申請案主張2018年8月23日申請之美國臨時申請案第62/722,006號之權利，該申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。
實施例之以下描述在本質上僅為例示性的且決不意欲限制本發明之主題、其應用或用途。
如全篇所使用，範圍被用作描述在該範圍內之各個及每一值之簡寫。在範圍內之任何值可經選定為該範圍之端點。除非另外規定， 否則本文中以及本說明書中其他處所表達之所有百分比及數量應理解為指代重量百分比。
出於本說明書及隨附申請專利範圍的目的，除非另外指示，否則說明書及申請專利範圍中所使用之表達量、百分比或比例之所有數量及其他數值應理解為在所有情況下由術語「約」修飾。術語「約」之使用適用於所有數值，無論是否明確指示。此術語一般係指一般熟習此項技術者認為係所述數值的合理偏差量(亦即具有等效功能或結果)之數量範圍。舉例而言，此術語可理解為包括給定數值之±10%，或者±5%及或者±1%之偏差，其限制條件為此類偏差不改變該值之最終功能或結果。因此，除非有相反指示，否則本說明書及所附申請專利範圍中所闡述之數值參數為近似值，其可視本發明設法獲得之所需特性而變化。
應注意，除非明確且肯定地限於一個指示物，否則如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，單數形式「一(a/an)」及「該(the)」包括複數個指示物。如本文所用，術語「包括」及其文法變體意欲為非限制性的，使得清單中之項之列舉不排除可取代或添加至所列項之其他類似項。舉例而言，如本說明書及以下申請專利範圍中所使用，術語「包含(comprise)」(以及其形式、衍生物或變體，諸如「包含(comprising/comprises)」)、「包括(include)」(以及其形式、衍生物或變體，諸如「包括(including/includes)」)及「具有(has)」(以及其形式、衍生物或變體，諸如「具有(having/have)」)為包括性的(亦即開放式)且不排除額外要素或步驟。因此，此等術語意欲不僅覆蓋所列舉之要素或步驟，而且亦可包括未明確列舉之其他要素或步驟。此外，如本文中所使用，在與要素結合使用時，使用術語「一(a/an)」可意謂「一種」，但其亦 與「一或多種」、「至少一種」及「一種或多於一種」之含義一致。因此，前面有「一(a/an)」之要素在無更多約束條件之情況下並不排除額外一致要素的存在。
研究膠態QD之特性及其光電裝置之研發已受到超過20年之主要關注。近年來，對二維量子點(2D QD)之異常特性的關注逐漸增加。如本文中所使用，「2D量子點」或「2D QD」係指半導體奈米粒子，其厚度在約1-5個原子或分子單層之間且橫向尺寸使得奈米粒子在量子侷限範疇中，亦即奈米粒子之電子特性不同於塊材之彼等電子特性。如可瞭解，提供具有指示量子侷限範疇之電子特性之奈米粒子的橫向尺寸可在不同組成之奈米粒子之間變化。然而，一般而言，此類橫向尺寸可在1nm與100nm之間。如本文所用，術語「2D奈米層片」用以描述厚度介於1至10個原子或分子單層之間的粒子，且其中橫向尺寸足夠大以使得其延伸超出量子侷限範疇。如本文所用，「單層量子點」或「單層QD」係指厚度為單個單層且具有使得奈米粒子處於量子侷限範疇中之橫向尺寸的半導體奈米粒子。與習知零維(0D)QD相比，2D QD之表面積/體積比率高得多，該比率隨著單層之數目減少而增加。最高的表面積/體積比率見於單層QD。此可使得2D QD具有與習知QD非常不同的表面化學性質，其可用於許多應用。迄今為止，對2D QD之大部分研究以分層材料為中心，該等分層材料諸如基於碳之材料(例如石墨烯及氧化石墨烯)及TMDC之QD，尤其MoS2、MoSe2、WS2及WSe2。然而，近年來，已關注合成諸如II-VI半導體之習知半導體材料之2D奈米粒子[E.Lhuillier等人，Acc.Chem.Res.,2015,48,22；A.Riedinger等人，Nat.Mater.,2017,16,743]。
在一些實施例中，光偵測器為光電二極體。光電二極體通 常基於p-n接面。在光電二極體中，當具有足夠能量之光子撞擊裝置時，產生電子-電洞對。若吸收發生在接面之空乏區域中或離其一個擴散長度處，則空乏區域之內建式電場使得載流子自接面掃過，其中電洞朝向陽極移動且電子朝向陰極移動，從而產生光電流。
在一些實施例中，光偵測器為光導體。光導體為偵測由用光照明產生之半導體之電導率之暫時變化的裝置。光子產生光激載流子，其由藉由施加於光偵測器之陽極與陰極電極之間的電壓偏壓產生之電場提取。
在一些實施例中，光偵測器為具有基極集極接面的光電晶體。光電晶體類似於光電二極體，其中添加另一n型區域。光電晶體包括具有內部增益之光電二極體。其可表示為雙極電晶體，其封於透明盒中以使得光子可達至基極集極接面。將自基極集極接面中之光子產生之電子注入基極中，從而放大電流。
三種類型之光偵測器各自具有不同特性，且因此適用於不同應用。光電晶體及光電二極體以類似速率偵測，但光電晶體響應時間較慢(微秒vs.光電二極體之奈秒)。光電晶體具有較高增益，而光電二極體展現較小的隨著溫度之變化。
在至少一個實施例中，採用2D QD敏化有機光電二極體。在至少一個實施例中，使用包含2D QD及2D奈米層片層(亦即具有顯著超出量子侷限範疇之橫向尺寸)之異質結構光偵測器。在至少一個實施例中，使用包含第一2D QD層及另一材料之2D QD之第二層的異質結構光偵測器。在至少一個實施例中，使用包含習知QD層及2D QD層之異質結構光偵測器。
圖2為根據本發明之各種態樣的光偵測器200之示意性說明。光偵測器200包含底部電極210、安置於底部電極210上之間層220、包含分散於安置於間層220上之電荷輸送材料中之2D QD的層230以及安置於含2D QD層230上之頂部電極240。在圖2中所示之裝置組態中，頂部電極240及底部電極210中之一或多者可為透明的，以允許光穿過。底部電極210可包括透明導電氧化物，諸如氧化銦錫(ITO)，及摻雜鋁之氧化鋅(AZO)。頂部電極240可包含一或多個低功函數金屬，諸如鋁及銀。
間層220用以改良與底層之底部電極210之電接觸。間層220可由諸如聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT：PSS)、MoO3及具有鋅、鈦、釩或鎳之金屬氧化物之任何適合材料製成。間層220之厚度可在約1nm至約1000nm，或者約10nm至約1000nm，或者約100nm至約1000nm範圍內。
在圖2中示意性地展示，該含2D QD層230包含分散於電荷傳輸材料中之2D QD，該含2D QD層230可藉由將2D QD分散(藉由摻合或混合)於一或多種有機電荷輸送材料(電子及/或電洞接受及輸送有機材料)中以形成異質接面來產生。適合之電荷傳輸材料的實例包括(但不限於)[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、聚(3-己基噻吩)(P3HT)、聚(N-辛基二噻吩并[3,2-b：2'3'd]吡咯-交替-5,6-雙(辛氧基)苯并[c][1,2,5]噻二唑)(PDTPBT)、聚[(9,9-二辛基茀基-2,7-二基-共(4,40-(N-4-第二丁基苯基))二苯胺)](TFB)、聚(N,N'-雙(4-丁基苯基)-N,N'-雙(苯基)-聯苯胺)(聚TPD)、聚(2-甲氧基-5(2'-乙基己氧基)-1,4-苯基乙烯伸乙烯基)(MEH-PPV)、聚(2,5-二(2'-乙基己氧基)-1,4-伸苯基伸乙烯基)(DEH-PPV)、聚[2,6-(4,4'-雙(2-乙基己基)二噻吩并[3,2-b：2',3'-d]矽羅-交替-4,7(2,1,3-苯并噻二唑)(PSBTBT)、聚[2,6-(4,4- 雙(2-乙基己基)4H-環戊[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-交替-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)、聚(2,3-二癸基-喹喏啉-5,8-二基-交替-N-辛基二噻吩并[3,2-b：2'3'-d]吡咯)(PDTPQx)、二噻吩并[3,2-b：2,3-d]吡咯(DTP)、聚(9,9-正二己基-2,7-伸茀基伸乙烯基-交替-2,5-伸噻吩基伸乙烯(PFT)、乙氧基化聚乙二亞胺(PEIE)、1-1-雙[(二4-甲苯胺基苯基]環己烷(TAPC)、C60、多壁碳奈米管及其他聚合物，其中一些結構顯示於圖1中。在圖1中，PDTPBT之數目平均莫耳質量Mn可在約17kg mol-1與約19kg mol-1之間的範圍內。此外，在圖1中，PDBF之Mn可在約11kg mol-1與約13kg mol-1之間的範圍內。此外，在圖1中，PDTD之Mn可在約30kg mol-1與約35kg mol-1之間的範圍內。此外，在圖1中，PDTT之Mn可在約30kg mol-1與約35kg mol-1之間的範圍內。此外，在圖1中，PDFT之Mn可在約35kg mol-1與約40kg mol-1之間的範圍內。此外，在圖1中，PBDTTPD之Mn可在約10kg mol-1與約35kg mol-1之間的範圍內。此外，在圖1中，PBDT-T8-TPD之Mn可在約35kg mol-1與約40kg mol-1之間的範圍內。此外，在圖1中，P3HT之Mn可在約50kg mol-1與約80kg mol-1之間的範圍內。最後，在圖1中，PBDT-T-FDP之Mn可在約50kg mol-1與約60kg mol-1之間的範圍內。
適合用作2D敏化有機光電二極體中之有機材料的另一材料為螺-OMeTAD，其可提供UV偵測與電洞輸送特性(參見Guo等人，J Mater.Chem.C,2018,6,2573)。如上文所論述，諸如(但不限於)聚(3,4-伸乙基二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS)之間層可用於改良至底部觸點之電連接。替代的適合之材料可包括溶液可處理MoO3或V2Ox代替PEDOT。
在一些情況下，含2D QD層230包括約10vol%至約95vol%之2D QD及約5vol%至約90vol%之一或多種電荷輸送材料。在一些情況下，含2D QD層230包括約20vol%至約90vol%，或者約30vol%至約85vol%，或者約40vol%至約80vol%，或者約50vol%至約75vol%，及或者約60vol%至約70vol%之2D QD。在一些情況下，含2D QD層230包括約10vol%至約80vol%，或者約15vol%至約70vol%，或者約20vol%至約60vol%，或者約25vol%至約50vol%，及或者約30vol%至約40vol%之一或多種電荷輸送材料。
含2D QD層230之厚度可在約10nm至約2μm，或者約50nm至約1μm，及或者約100nm至約750nm，及或者約200nm至約500nm範圍內。
圖3為根據本發明之各種態樣之異質結構光偵測器300的示意性描述。異質結構光偵測器300包含底部電極310及安置於底部電極310上之含2D奈米層片之第一層320、安置於含2D奈米層片之第一層320上之含2D QD之第二層330及安置於含2D QD第二層330上之頂部電極340。在此組態中，頂部電極340及底部電極310中之一或多者可為透明的以允許光穿過。為形成異質接面，選擇含2D奈米層片層320及含2D QD層330中之2D QD及2D奈米層片以使得2D QD之傳導帶及價帶自2D奈米層片之傳導帶及價帶偏移，從而產生內建式電場。此可經由選擇具有不同半導體能帶隙之2D QD及2D奈米層片材料，及/或調適第二2D QD及/或2D奈米層片之橫向尺寸，及/或調適2D QD及/或2D奈米層片之厚度，及/或藉由用修改材料之能帶隙的不同配位體官能化2D QD及2D奈米層片中之一或兩者之表面來達成。接面寬度可控制所吸收之光的波長。
含2D奈米層片層320及含2D QD層330中之每一者之厚度可獨立地在約10nm至約1μm，或者約25nm至約750nm，或者約50nm至約500nm，或者約75nm至約400nm，及或者約100nm至約300nm之範圍內。較佳地，含2D奈米層片層320及含2D QD層330之組合厚度在約50nm與約800nm之間，更佳在約100nm與約700nm之間，且甚至更佳在約200nm與約600nm之間。在一些情況下，含2D奈米層片層320及含2D QD層330具有相同或實質上相同之厚度。在其他情況下，含2D QD層330比含2D奈米層片層320厚。在其他情況下，含2D奈米層片層320比含2D QD層330厚。
可使含2D QD層330具有與含2D QD層230相同或實質上類似之組成。如同含2D QD層230，含2D奈米層片層320包括約10vol%至約95vol%之2D奈米層片及約5vol%至約90vol%之一或多種電荷輸送材料。在一些情況下，含2D奈米層片層320包括約20vol%至約90vol%，或者約30vol%至約85vol%，或者約40vol%至約80vol%，或者約50vol%至約75vol%，及或者約60vol%至約70vol%之2D奈米層片。在一些情況下，含2D奈米層片層320包括約10vol%至約80vol%，或者約15vol%至約70vol%，或者約20vol%至約60vol%，或者約25vol%至約50vol%，及或者約30vol%至約40vol%之一或多種電荷輸送材料。
在一些情況下，異質結構光偵測器300可進一步包括安置於底部電極310與含2D奈米層片層320之間的間層(未圖示)。間層可由與光偵測器200之間層220相同之材料製成。在圖3中，將含2D奈米層片層320及含2D QD層330展示為獨立之層。在一些情況下，過渡層(未圖示)可安置於含2D奈米層片層320與含2D QD層330之間，過渡層具有2D奈米層 片與2D QD之組合。在一些情況下，2D奈米層片及2D QD之相對量可在過渡層之整個厚度中為均一的或實質上均一的。在一些情況下，過渡層可呈現其中2D奈米層片之量自含2D奈米層片層320至含2D QD層330減少之梯度。在一些情況下，過渡層可展現其中2D QD之量自含2D奈米層片層320至含2D QD層330增加之梯度。
圖4為根據本發明之各種態樣之另一異質結構光偵測器400的示意性描述。異質結構光偵測器400包含底部電極410及安置於底部電極410上之含2D QD之第一層420、安置於含2D QD之第一層420上之含2D QD之第二層430及安置於含2D QD第二層430上之頂部電極440。在此組態中，頂部電極440及底部電極410中之一或多者可為透明的以允許光進入裝置中。為了形成異質接面，選擇第一層420之2D QD及第二層430之2D QD以使得第一層420中之2D QD的傳導帶及價帶自第二層430中之2D QD的傳導帶及價帶偏移。此可經由選擇具有不同半導體能帶隙之材料之第一及第二2D QD，及/或調適第一及第二2D QD之橫向尺寸，及/或調適第一及第二2D QD之厚度，及/或藉由用修改材料能帶隙之不同配位體官能化第一及第二2D QD中之一者或兩者之表面來達成。在一些情況下，第一及第二2D QD中之每一者之化學組成可相同或實質上相同，但第一及第二2D QD之橫向尺寸、厚度及表面官能化中之一或多者不同。接面寬度可控制所吸收之光的波長。
可如上文針對含2D QD層230所描述改變各含2D QD層420、430之組成及/或厚度。較佳地，含2D QD層420、430之組合厚度在約50nm與約800nm之間，更佳在約100nm與約700nm之間，且甚至更佳在約200nm與約600nm之間。在一些情況下，各含2D QD層420、430 具有相同或實質上相同之厚度。在其他情況下，含2D QD層420比含2D QD層430厚。在其他情況下，含2D QD層430比含2D QD層420厚。
在一些情況下，異質結構光偵測器400可進一步包括安置於底部電極410與含2D QD層420之間的間層(未圖示)。間層可由與光偵測器200之間層220相同之材料製成。在圖4中，將含2D QD層420及含2D QD層430展示為獨立之層。在一些情況下，過渡層(未圖示)可安置於含2D QD層420與含2D QD層430之間，過渡層具有第一2D QD(亦即含2D QD層420之2D QD)與第二2D QD(亦即含2D QD層430之2D QD)之組合。在一些情況下，第一2D QD及第二2D QD之相對量可在過渡層之整個厚度中為均一的或實質上均一的。在一些情況下，過渡層可展現其中第一2D QD之量自含2D QD層420至含2D QD層430減少之梯度。在一些情況下，過渡層可展現其中第二2D QD之量自含2D QD層420至含2D QD層430增加之梯度。
圖5為根據本發明之各種態樣之又一異質結構光偵測器500的示意性描述。異質結構光偵測器500包含底部電極510、安置於底部電極510上之含2D QD的第一層520及安置於含2D QD第一層520上之含習知QD的第二層530，及安置於含習知QD第二層530上之頂部電極540。在此組態中，頂部電極540及底部電極510中之一或多者可為透明的以允許光進入裝置中。為形成異質接面，第一2D QD層520及第二習知QD層530經選擇以使得第一2D QD層的傳導帶及價帶自第二習知QD層的傳導帶及價帶偏移。此可經由選擇具有不同半導體能帶隙之材料的習知QD及2D QD，及/或調適習知QD之直徑，及/或調適2D QD之橫向尺寸，及/或調適2D QD之厚度，及/或藉由用修改材料之能帶隙的不同配位體來官能化2D QD及習知2D QD中之一或兩者之表面來達成。接面寬度可控制所吸收之 光的波長。
可使含2D QD層520具有與含2D QD層230相同或實質上類似之組成。如同含2D QD層230，含2D QD層520包括約10vol%至約95vol%之2D QD及約5vol%至約90vol%之一或多種電荷輸送材料。在一些情況下，含習知QD層530包括約20vol%至約90vol%，或者約30vol%至約85vol%，或者約40vol%至約80vol%，或者約50vol%至約75vol%，及或者約60vol%至約70vol%之習知QD。在一些情況下，含習知QD層530包括約10vol%至約80vol%，或者約15vol%至約70vol%，或者約20vol%至約60vol%，或者約25vol%至約50vol%，及或者約30vol%至約40vol%之一或多種電荷輸送材料。
在一些情況下，異質結構光偵測器500可進一步包括安置於底部電極510與含2D QD層520之間的間層(未圖示)。間層可由與光偵測器200之間層220相同之材料製成。在圖5中，將含2D QD層520及含習知QD層530展示為獨立之層。在一些情況下，過渡層(未圖示)可安置於含2D QD層520與含習知QD層530之間，過渡層具有2D QD(亦即含2D QD層520之2D QD)與習知QD(亦即含習知QD層530之習知QD)之組合。在一些情況下，2D QD及習知QD之相對量可在過渡層之整個厚度中為均一的或實質上均一的。在一些情況下，過渡層可展現其中2D QD之量自含2D QD層520至含習知QD層530減少之梯度。在一些情況下，過渡層可展現其中習知QD之量自含2D QD層520至含習知QD層530增加之梯度。
圖6為根據本發明之各種態樣之又一異質結構光偵測器600的示意性描述。異質結構光偵測器600包含底部電極610、安置於底部電極610上之含習知QD的第一層620及安置於含習知QD第一層620上之含2D QD的第二層630，及安置於含2D QD第二層630上之頂部電極640。在此組態中，頂部電極640及底部電極610中之一或多者可為透明的以允許光進入裝置中。為形成異質接面，選擇含習知QD第一層620及含2D QD第二層630以使得習知QD之傳導帶及價帶自2D QD之傳導帶及價帶偏移。此可經由選擇具有不同半導體能帶隙之材料的習知QD及2D QD，及/或調適習知QD之直徑，及/或調適2D QD之橫向尺寸，及/或調適2D QD之厚度，及/或藉由用修改材料之能帶隙的不同配位體來官能化2D QD及習知2D QD中之一或兩者之表面來達成。接面寬度可控制所吸收之光的波長。
含習知QD層620及含2D QD層630之組成及/或厚度可如上文分別針對含習知QD層530及含2D QD層520所描述而變化。較佳地，含習知QD層620及含2D QD層630之組合厚度在約50nm與約800nm之間，更佳在約100nm與約700nm之間，且甚至更佳在約200nm與約600nm之間。在一些情況下，含習知QD層620及含2D QD層630中之每一者具有相同或實質上相同厚度。在其他情況下，含QD層620比含2D QD層630厚。在其他情況下，含2D QD層630比含QD層620厚。
在一些情況下，異質結構光偵測器600可進一步包括安置於底部電極610與含習知QD層620之間的間層(未圖示)。間層可由與光偵測器200之間層220相同之材料製成。在圖6中，將含習知QD層620及含2D QD層630展示為分開之層。在一些情況下，過渡層(未圖示)可安置於含習知QD層620與含2D QD層630之間，過渡層具有習知QD(亦即含習知QD層620之習知QD)與2D QD(亦即含2D QD層630之2D QD)之組合。在一些情況下，習知QD及2D QD之相對量可在過渡層之整個厚度中為均一的 或實質上均一的。在一些情況下，過渡層可展現其中習知QD之量自含習知QD層620至含2D QD層630減少之梯度。在一些情況下，過渡層可展現其中2D QD之量自含習知QD層620至含2D QD層630增加之梯度。
圖7為根據本發明之各種態樣之異質結構光偵測器700的示意性描述。異質結構光偵測器700包含底部電極710及安置於底部電極710上之含2D QD的第一層720、安置於含2D QD之第一層720上之含2D奈米層片的第二層730，及安置於含2D奈米層片之第二層730上之頂部電極740。在此組態中，頂部電極740及底部電極710中之一或多者可為透明的以允許光進入裝置中。為形成異質接面，選擇含2D QD層720及含2D奈米層片層730中之2D QD及2D奈米層片以使得2D QD之傳導帶及價帶自2D奈米層片之傳導帶及價帶偏移，從而產生內建式電場。此可經由選擇具有不同半導體能帶隙之2D QD及2D奈米層片材料，及/或調適第二2D QD及/或2D奈米層片之橫向尺寸，及/或調適2D QD及/或2D奈米層片之厚度，及/或藉由用修改材料之能帶隙的不同配位體官能化2D QD及2D奈米層片中之一或兩者之表面來達成。接面寬度可控制所吸收之光的波長。
含2D QD層720及含2D奈米層片層730之組成及/或厚度可如上文分別針對含2D QD層330及含2D奈米層片層320所描述而變化。較佳地，含2D QD層720及含2D奈米層片層730之組合厚度在約50nm與約800nm之間，更佳在約100nm與約700nm之間，且甚至更佳在約200nm與約600nm之間。在一些情況下，含2D QD層720及含2D奈米層片層730中之每一者具有相同或實質上相同之厚度。在其他情況下，含2D QD層720比含2D奈米層片層730厚。在其他情況下，含2D奈米層片層730比含2D QD層720厚。
在一些情況下，異質結構光偵測器700可進一步包括安置於底部電極710與含2D QD層720之間的間層(未圖示)。間層可由與光偵測器200之間層220相同之材料製成。在圖7中，將含2D QD層720及含2D奈米層片層730展示為獨立之層。在一些情況下，過渡層(未圖示)可安置於含2D QD層720與含2D奈米層片層730之間，過渡層具有2D QD(亦即含2D QD層720之2D QD)與2D奈米層片(亦即含2D奈米層片層730之2D奈米層片)之組合。在一些情況下，2D QD及2D奈米層片之相對量可在過渡層之整個厚度中為均一的或實質上均一的。在一些情況下，過渡層可展現其中2D QD之量自含2D QD層720至含2D奈米層片層730減少之梯度。在一些情況下，過渡層可呈現其中2D奈米層片之量自含2D QD層720至含2D奈米層片層730增加之梯度。
根據本發明之各種態樣之2D QD可經由溶液處理來膠體合成及沈積。適合之2D QD材料包括(但不限於)：石墨烯、氧化石墨烯及還原氧化石墨烯；TMDC諸如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ZrS2；過渡金屬三硫屬化物，諸如TaO3；MnO3；WO3；ZrS3；ZrSe3；HfS3；及HfSe3；第13-16(III-VI)族化合物，諸如InS；InSe；GaS；GaSe；及GaTe；第15-16(IV-VI)族化合物，諸如Bi2Se3；及Bi2Te3； 氮化物，諸如h-BN；氧化物，諸如LaVO3；LaMnO3；V2O5；LaNbO7；Ca2Nb3O10；Ni(OH)2；及Eu(OH)2；分層氧化銅；雲母；及氧化鉍鍶鈣銅(BSCCO)；磷化物，諸如Li7MnP4；及MnP4；及第14族元素之2D同素異形體，諸如矽烯；鍺烯；及錫烯。
在前述材料中，相鄰層藉由凡得瓦爾力相互作用結合在一起，其可輕易藉由諸如剝離技術，例如液相剝離(liquid phase exfoliation，LPE)之技術破壞以形成2D薄片。在替代性實施例中，2D QD可包含不在傳統上分層之半導體材料，包括(但不限於)：第12-16(II-VI)族半導體，諸如ZnS；ZnSe；CdS；CdSe；CdTe；第13-15(III-V)族材料，諸如AlN；AlP；AlAs；GaN；GaP；GaAs；InN；InP；InAs；第15-16(V-VI)族材料，諸如PbS、PbSe、PbTe；及第I-III-VI族材料，諸如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；且AgInSe2包括摻雜物質及其合金。
可(例如)經由物理或化學切割製程形成前述材料之2D QD。具體言之，可形成具有所需形狀、尺寸及組成之零維(0D)、一維(1D)或三維(3D)，隨後處理(諸如化學處理，例如返流、LPE及返流或插層及剝離)以形成具有均一尺寸之2D QD，如藉由3D或OD奈米粒子之固 有形狀所決定。該製程為可按比例調整的且可用於以大體積生產具有均一特性的2D QD。如本文中所使用，奈米粒子之「切割」意謂將奈米粒子分離為兩個或更多個部分。該術語不意欲暗示對分離方法之任何限制，且可包括物理及化學分離方法。物理分離方法可以包括(但不限於)：機械剝離(所謂的「透明膠帶方法」)、分層、研磨及碾磨。實質上，奈米粒子之「化學切割」意謂將奈米粒子分離成兩個或更多個部分，其中該分離由化學處理實現。在某些實施例中，化學處理可以包括：對奈米粒子之溶液或分散液施加熱、壓力、真空、超音波處理及/或攪拌；化學蝕刻；及插層。化學切割方法之非限制性實例包括：回流溶液中之奈米粒子；奈米粒子之LPE隨後回流；或插層及剝離奈米粒子。
可使用任何適合之技術將0D、1D或3D奈米粒子切割成2D QD。適合之實例包括化學及物理剝離方法。在一個實施例中，藉由化學方法(諸如LPE)進行預製奈米粒子之切割，LPE包含在溶劑中超音波處理預製奈米粒子。可選擇溶劑之表面張力以匹配經剝離之材料之表面張力。在一些實施例中，經剝離奈米粒子隨後回流至溶液中。
在一些實施例中，可藉由在溶液中回流預製奈米粒子而不先前進行剝離來進行0D、1D或3D奈米粒子之切割。一般熟習此項技術者應認識到0D、1D或3D奈米粒子溶液回流溫度視其中形成溶液之溶劑的沸點而定。不欲受任何特定理論束縛，一種可能之機制為應用熱可熱擴張在0D、1D或3D奈米粒子內之層；回流溶液可形成將層化學切割開的氣體。在一些實施例中，溶液包含配位溶劑。適合之配位溶劑之實例包括(但不限於)：飽和烷基胺，諸如C6-C50烷基胺；不飽和脂肪胺，諸如油胺；脂肪酸，諸如肉豆蔻酸、棕櫚酸及油酸；膦，諸如三辛基膦(TOP)；膦氧化 物，諸如三辛基氧化膦(TOPO)；醇，諸如十六烷醇、苯甲醇、乙二醇、丙二醇；且可包括一級、二級、三級及分支鏈溶劑。在一些實施例中，溶液包含非配位溶劑，諸如(但不限於)C11-C50烷。在一些實施例中，溶劑之沸點在150℃至600℃之間，例如160℃至400℃，或更特定言之180℃至360℃。在一特定實施例中，溶劑為十六烷基胺。
在其他實施例中，藉由插層及剝離方法進行預製奈米粒子之切割。TMDC多層奈米結構之插層及剝離可使用路易斯鹼(Lewis base)插入物來實現。可藉由在第一插入劑及第二插入劑存在下在第一溶劑中攪拌預製奈米粒子持續第一時間段來進行第一插層及剝離製程。視情況而言，可隨後添加第二溶劑，接著攪拌第二時間段。在一些實施例中，藉由使第一插層及剝離製程之產物與第三插入劑及第三溶劑混合，且攪拌第三時間段來進行第二插層及剝離製程。視情況而言，可隨後添加第四溶劑，接著攪拌第四時間段。第一插入劑及第二插入劑可包含烴，其中第一插入劑之烴鏈長度不同於第二插入劑之烴鏈長度。第三插入劑可與第一及/或第二插入劑相同或不同。適合之第一、第二及第三插入劑可包括(但不限於)：路易斯鹼，諸如胺，諸如丙胺、己胺；烷氧化物，諸如甲醇鈉、乙醇鈉；羧酸鹽，諸如己酸鈉；及胺基醇，諸如3-胺基-1-丙醇；胺基硫醇，諸如半胱胺、6-胺基-1-己硫醇及8-胺基-1-辛硫醇；胺基酸，包括烷胺基酸，諸如3-胺基丙酸(β-丙胺酸)、6-胺基己酸、8-胺基辛酸；及金屬鹽，諸如具有通式MXn之彼等金屬鹽，其中M為Mo、 Cd、Zn或In，且X為鹵化物(尤其Cl-、Br-及I-)、乙酸鹽、辛酸鹽、蘋果酸鹽、月桂酸鹽、肉豆蔻酸鹽或油酸鹽。另一適合之金屬鹽為[MoCl5]2。
一般而言，進行插層及剝離製程之溶劑的選擇將視奈米粒子及插入劑之選擇而定。在插層及剝離期間，需要奈米粒子充分分散或溶解於溶劑中。進一步期望插入劑可溶於溶劑。第二溶劑可不同於第一溶劑。第三溶劑可與第一溶劑或第二溶劑相同，或可與第一溶劑及第二溶劑均不同。在一些情況下，適合之溶劑包括極性非質子溶劑，諸如二甲亞碸(DMSO)、N-甲基甲醯胺(NMF)及乙腈。在一些情況下，適合之溶劑包括極性質子溶劑，諸如丙醇及異丙醇。
第一時間段可在約1小時至約1個月，或者約2小時至約2週，且或者約4小時至約3天範圍內。第二時間段可在約1小時至約2個月，或者約2天至約2週，且或者約1週至約3週範圍內。第三時間段可在約1小時至約1個月，或者約2小時至約2週，且或者約4小時至約3天範圍內。第四時間段可在約1小時至約2個月，或者約2天至約2週且或者約1週至約3週範圍內。一般而言，時間段將視諸如以下因素而定：溶劑及插入劑之選擇、奈米粒子內之鍵結強度及溶液中奈米粒子對比插入劑之濃度，且較長時間段可引起2D奈米薄片之較高產率。
在一些實施例中，第一及/或第二及/或後續插層及剝離方法可使用超音波處理進行。使用超音波處理代替攪拌可以促成實現化學切割製程所需的時間段減少。
其他切割技術可用於將0D、1D或3D奈米粒子切割成2D QD，諸如(但不限於)蝕刻技術。根據某些實施例，2D QD可隨後藉由諸如(但不限於)離心；過濾；滲析或管柱層析法之技術自溶液分離。所得2D 奈米薄片可分散於溶劑中以形成墨水，該墨水可使用習知基於溶液的沈積技術經沈積以形成薄膜，該等技術諸如(但不限於)：滴落塗佈、旋轉塗佈、隙縫塗覆、噴塗、狹縫染料塗、噴墨列印或刀片刮抹。2D QD之特性的固有均一性可以引起所得薄膜之高度均一性。薄膜厚度可藉由例如更改墨水之濃度及/或藉由改變2D QD之尺寸來控制。
可使用諸如(但不限於)以下之技術形成2D奈米層片之層：機械剝離、化學氣相沈積(chemical vapor deposition，CVD)、原子層沈積(atomic layer deposition，ALD)；分子束磊晶法(molecular beam epitaxy，MBE)；側向雜磊晶法；及氣固生長。用於含2D奈米層片層之適合2D奈米層片包括(但不限於)：石墨烯、氧化石墨烯及還原氧化石墨烯；TMDC諸如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ZrS2；過渡金屬三硫屬化物，諸如TaO3；MnO3；WO3；ZrS3；ZrSe3；HfS3；及HfSe3；第13-16(III-VI)族化合物，諸如InS；InSe；GaS；GaSe；及GaTe；第15-16(IV-VI)族化合物，諸如Bi2Se3；及Bi2Te3；氮化物，諸如h-BN；氧化物，諸如LaVO3；LaMnO3；V2O5；LaNbO7；Ca2Nb3O10；Ni(OH)2；及Eu(OH)2；分層氧化銅；雲母；及BSCCO； 磷化物，諸如Li7MnP4；及MnP4；及第14族元素之2D同素異形體，諸如矽烯；鍺烯；及錫烯。
對於含有習知QD層之裝置，QD層可由包括(但不限於)以下之材料形成：IIA-VIB(2-16)材料，其由來自週期表之第2族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe；IIB-VIB(12-16)材料，其由來自週期表之第12族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS、HgSe、HgTe；II-V材料，其由來自週期表之第12族之第一元素及來自週期表之第15族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Zn3P2、Zn3As2、Cd3P2、Cd3As2、Cd3N2、Zn3N2；III-V材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自週期表之第15族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：BP、AlP、AlAs、AlSb；GaN、GaP、GaAs、GaSb；InN、InP、InAs、InSb、AlN、BN；III-IV材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自週期表之第14族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：B4C、Al4C3、Ga4C； III-VI材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、GeTe；In2S3、In2Se3、Ga2Te3、In2Te3、InTe；IV-VI材料，其由來自週期表之第14族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：PbS、PbSe、PbTe、SnS、SnSe、SnTe；V-VI材料，其由來自週期表之第15族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Se3、Sb2Te3；及奈米粒子材料，其由來自週期表之過渡金屬中之任一族的第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：NiS、CrS、CuInS2、AgInS2。
在一些情況下，在根據本發明之各種態樣之異質結構裝置中，半導體材料之相對能帶隙可經選擇以形成I型異質結構，例如具有MoTe2 2D QD或MoTe2 2D奈米層片之層的WSe2 2D QD。在一些情況下，半導體材料之相對能帶隙可經選擇以形成II型異質結構，例如具有WSe2 2D QD層之PbS QD，或具有層WSe2 2D QD或WSe2奈米層片層之MoS2 2D QD。
在一些情況下，2D層中之一或多者之厚度可為單個單層。使敏化劑儘可能薄可有利於使電荷屏蔽效應、可撓性及裝置透明度最大 化。接近吸收深度之厚度可為合乎需要的以使入射光之吸收最大化。然而，對於更強吸收，較厚裝置亦可為合乎需要的。調諧材料之厚度亦提供控制其能帶隙之手段。因此，在一些情況下，2D層中之一或多者可在1-5個單層之間。在一些情況下，2D奈米層片層可為單層。單層可提供優於多層(few-layer)材料或塊材之有利特性。舉例而言，過渡金屬二硫屬化物在單層形成後呈現間接至直接能帶隙之過渡。
可實施多個策略以增強2D QD層內之電荷輸送。舉例而言，固有2D QD配位體可經較短鏈配位體置換。如本文所用，「短鏈配位體」係指具有八個碳或更少之烴鏈的配位體。適合之短鏈配位體之實例包括(但不限於)：烷硫醇，諸如1-辛硫醇、1-庚硫醇、1-己硫醇、1-戊硫醇、1-丁硫醇、1-丙硫醇；烷基胺，諸如甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、辛胺、烯丙胺；及羧酸，諸如辛酸、庚酸、己酸、戊酸、丁酸及丙酸。其他適合之配位體可包括吡啶及吡咯啶酮。在一些情況下，橋聯配位體可用於改良相鄰2D QD之間的連接性。適合之實例包括(但不限於)雙齒配位體，諸如乙二硫醇或3-巰基丙酸。
改良2D QD之間的連接性之另一策略可包括使用硫屬元素配位體。在此方法中，QD可藉由移除有機表面配位體且用硫屬元素配位體鈍化QD表面而「頸縮」。在一些情況下，可使相鄰QD融合。使用融合2D QD，可形成膜，其中2D QD在其外表面之尚未融合之部分上包括配位體。融合可使得2D QD實質上維持其個別特性，同時藉由電流可易於流經之區域接合。在一個實施例中，可對初合成(as-synthesized)2D QD進行配位體交換，以用較短、更具揮發性之配位體替代固有配位體。可隨後溶液沈積配位體交換2D QD，隨後移除短鏈配位體以使2D QD非常接近以使 得2D QD中之一些接觸其相鄰者。此稱為「頸縮」。可隨後使經頸縮2D QD退火以將2D QD融合在一起。一般而言，融合2D QD及其之間的連接將不含有缺陷狀態，其使得電流能夠易於在其間流動。
當使用習知QD時，諸如在光偵測器500之含習知QD層530或光偵測器600之含習知QD層620中，習知QD可為尺寸範圍為2nm至100nm之核、核-殼或核-多殼QD。核之材料可包含：IIA-VIA(2-16)材料，其由來自週期表之第2族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe；IIB-VIA(12-16)材料，其由來自週期表之第12族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS、HgSe、HgTe；II-V材料，其由來自週期表之第12族之第一元素及來自週期表之第15族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Zn3P2、Zn3As2、Cd3P2、Cd3As2、Cd3N2、Zn3N2；III-V材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自週期表之第15族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：BP、AlP、AlAs、AlSb；GaN、GaP、GaAs、GaSb；InN、InP、InAs、InSb、AlN、BN；III-IV材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自 週期表之第14族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：B4C、Al4C3、Ga4C；III-VI材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、GeTe；In2S3、In2Se3、Ga2Te3、In2Te3、InTe；IV-VI材料，其由來自週期表之第14族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：PbS、PbSe、PbTe、SnS、SnSe、SnTe；V-VI材料，其由來自週期表之第15族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Se3、Sb2Te3；及奈米粒子材料，其由來自週期表之過渡金屬中之任一族的第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：NiS、CrS、CuInS2、AgInS2。
出於說明書及申請專利範圍之目的，藉由術語摻雜奈米粒子係指上文之奈米粒子及由一或多種主族或稀土元素構成之摻雜物，此最通常為過渡金屬或稀土元素，諸如(但不限於)具有錳之硫化鋅，諸如摻雜有Mn+之ZnS奈米粒子。
出於說明書及申請專利範圍之目的，術語「三元材料」係指上文之QD但為三組分材料。三種組分通常為來自如所提及族之元素的 組合物，實例為(ZnxCdx-1S)mLn奈米結晶(其中L為封端劑)。
出於說明書及申請專利範圍之目的，術語「四元材料」係指上文之奈米粒子但為四組分材料。四種組分通常為來自如所提及族之元素的組合物，實例為(ZnxCdx-1SySey-1)mLn奈米結晶(其中L為封端劑)。
在大多數情況下，生長於習知QD核上之任何殼或後續數量之殼上所使用之材料將屬於與核材料類似之晶格類型材料，亦即與核材料具有緊密晶格匹配，以使得其可以磊晶方式生長於核上，但不需限於有此相容性之材料。在大多數情況下存在的生長於核上之任何殼或後續數量之殼上所使用之材料具有比核材料更寬之能帶隙，但不需受限於有此相容性之材料。生長於核上之任何殼或後續數量之殼的材料可包括包含以下之材料：IIA-VIA(2-16)材料，其由來自週期表之第2族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe；IIB-VIA(12-16)材料，其由來自週期表之第12族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS、HgSe、HgTe；II-V材料，其由來自週期表之第12族之第一元素及來自週期表之第15族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Zn3P2、Zn3As2、Cd3P2、Cd3As2、Cd3N2、Zn3N2； III-V材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自週期表之第15族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：BP、AlP、AlAs、AlSb；GaN、GaP、GaAs、GaSb；InN、InP、InAs、InSb、AlN、BN；III-IV材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自週期表之第14族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：B4C、Al4C3、Ga4C；III-VI材料，其由來自週期表之第13族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、In2S3、In2Se3、Ga2Te3、In2Te3；IV-IV材料，其由來自週期表之第14族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：PbS、PbSe、PbTe、SnS、SnSe、SnTe；V-VI材料，其由來自週期表之第15族之第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Se3、Sb2Te3；及奈米粒子材料，其由來自週期表之過渡金屬中之任一族的第一元素及來自週期表之第16族之第二元素組成，且亦包括三元及四元材料以及摻雜材料。奈米粒子材料包括(但不限於)：NiS、CrS、CuInS2、AgInS2。
用於增加2D QD層內之連接性的前述策略亦可應用於習知 QD層。
根據本發明之各種態樣之光偵測器裝置可與互補金屬-氧化物-半導體(CMOS)電路系統整合。包含2D QD之裝置可使用CMOS技術製造，例如藉由將2D QD層旋塗至預製CMOS電子讀出電路上。可需要整合至CMOS電路系統中以形成小像素，從而實現高解析度感測器。
在一些情況下，可單體整合在不同區域中具有光譜靈敏度之多個像素。各像素之光譜靈敏度可藉由修改2D QD之橫向尺寸及/或厚度來調諧。
在一些情況下，可對根據本發明之各種態樣之光電晶體裝置進行閘控。閘控充當控制機構且允許增加之功能性，此係因為閘控電壓可變化以充當開關或充當放大器。特定言之，2D材料之高載流子遷移率可為有利的，因為增益與載流子遷移率成正比。
前述內容呈現體現本發明之原理的特定實施例。熟習此項技術者將能夠設計替代方案及變化形式，其即使其未明確地揭示於本文中，仍體現彼等原理且由此在本發明之範疇內。儘管已展示且描述本發明之特定實施例，但其並不意欲限制此專利覆蓋之內容。熟習此項技術者將理解可在不背離如由隨附申請專利範圍字面上及等效地覆蓋之本發明的範疇的情況下進行各種變化及修改。
200:光偵測器
210:底部電極
220:間層
230:含2D QD層
240:頂部電極

Claims (23)

  1. 一種異質結構光偵測器，其包含：第一電極；第一光吸收層，其安置於該第一電極上，該第一光吸收層包含第一光吸收材料；間層，其安置於該第一電極與該第一光吸收層之間；第二光吸收層，其安置於該第一光吸收層上，該第二光吸收層包含第二光吸收材料；及第二電極，其安置於該第二光吸收層上。
  2. 如請求項1之異質結構光偵測器，其進一步包含安置於該第一光吸收層與該第二光吸收層之間的過渡層，該過渡層包含該第一光吸收材料與該第二光吸收材料之組合。
  3. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個二維量子點(2D QD)、複數個二維奈米層片(2D奈米層片)或複數個習知QD。
  4. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第二光吸收材料為複數個2D QD、複數個2D奈米層片或複數個習知QD。
  5. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個2D 奈米層片且該第二光吸收材料為複數個2D QD。
  6. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個第一2D QD且該第二光吸收材料為複數個第二2D QD。
  7. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個2D QD且該第二光吸收材料為複數個習知QD。
  8. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個習知QD且該第二光吸收材料為複數個2D QD。
  9. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個2D QD且該第二光吸收材料為複數個2D奈米層片。
  10. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料具有價帶及自該第二光吸收材料之價帶及傳導帶偏移以產生內建式電場的傳導帶。
  11. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收層及該第二光吸收層具有範圍介於約50nm至約800nm之組合厚度。
  12. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收層及該第二光吸收層中之一者進一步包含電荷輸送材料。
  13. 如請求項1之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料及該第二光吸收材料中之一者為複數個2D奈米層片，該等2D奈米層片具有1至10個原子或分子單層之間的厚度及延伸超出量子侷限範疇之橫向尺寸。
  14. 一種異質結構光偵測器，其包含：第一電極；第一光吸收層，其安置於該第一電極上，該第一光吸收層包含第一光吸收材料；第二光吸收層，其安置於該第一光吸收層上，該第二光吸收層包含第二光吸收材料；過渡層，其安置於該第一光吸收層與該第二光吸收層之間，該過渡層包含該第一光吸收材料與該第二光吸收材料之組合；及第二電極，其安置於該第二光吸收層上。
  15. 如請求項14之異質結構光偵測器，其進一步包含安置於該第一電極與該第一光吸收層之間的間層。
  16. 如請求項14之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個二維量子點(2D QD)、複數個二維奈米層片(2D奈米層片)或複數個習知QD。
  17. 如請求項14之異質結構光偵測器，其中該第二光吸收材料為複數個2D QD、複數個2D奈米層片或複數個習知QD。
  18. 如請求項14之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個2D奈米層片且該第二光吸收材料為複數個2D QD。
  19. 如請求項14之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個第一2D QD；且該第二光吸收材料係選自由複數個第二2D QD、複數個習知QD及複數個2D奈米層片所組成之群。
  20. 如請求項14之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料為複數個習知QD且該第二光吸收材料為複數個2D QD。
  21. 如請求項14之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料具有價帶及自該第二光吸收材料之價帶及傳導帶偏移以產生內建式電場的傳導帶。
  22. 如請求項14之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收層及該第二光吸收層具有範圍介於約50nm至約800nm之組合厚度。
  23. 如請求項14之異質結構光偵測器，其中該第一光吸收材料及該第二光吸收材料中之一者為複數個2D奈米層片，該等2D奈米層片具有1至10個原子或分子單層之間的厚度及延伸超出量子侷限範疇之橫向尺寸。
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