赤外線重金属フリーの量子ドット、アイセーフLIDARアプリケーション向け高感度・高速センサ

April, 23, 2025, Barcelona--ICFOの研究者は、短波赤外線(SWIR)光検出用のテルル化銀コロイド量子ドットの性能を大幅に向上させる新しい戦略を発表し、家電製品や自動車アプリケーションにおけるSWIR検出器の広範な採用への道を開く。

SWIRの周波数領域は、大気散乱の影響を受けにくいだけでなく、「目に安全」であるなど、いくつかのアプリケーションに最適な非常にユニークな特性を持っている。これらには、レーザを使用して距離と距離を決定する方法であるLIDAR(Light Detection and Ranging)、宇宙のローカリゼーションとマッピング、監視と自動車安全のための悪天候イメージング、環境モニタリングなどが含まれる。

しかし、SWIR光検出器は、主に高価で製造が困難な材料に依存しているため、SWIR光は現在、科学機器や軍事用途などのニッチな分野に限定されている。ここ数年、コロイド量子ドット(溶液処理された半導体ナノ結晶)が、主流の家電製品の代替品として登場している。一般的には有毒な重金属(鉛や水銀など)が使用されてきたが、テルル化銀(Ag2Te)などの環境に優しい材料でも量子ドットを作ることができる。実際、テルル化銀コロイド量子ドットは、毒性のあるものと同等のデバイス性能を示している。しかし、それらはまだ初期段階にあり、実用化する前にいくつかの課題に対処する必要がある。

今回、ICFOの研究者Dr.Yongjie Wang、Dr.Hao Wu、Dr.Carmelita Rodà、Dr.Lucheng Peng、Dr.Nima Taghipour、Dr.Miguel Dosilは、ICREAのGerasimos Konstantatos教授が率いるもので、これらの課題に対処するテルル化銀コロイド量子ドットを作成する新しい方法を実証した。また、無毒の材料で作られたコロイド量子ドットを用いた初の概念実証SWIR LIDARを開発し、10メートルを超える距離をデシメートルの分解能で測定することに成功した。Advanced Materials誌に掲載されたこの研究は、消費者および自動車市場向けの実用的で費用対効果が高く、環境に優しいLIDARシステムに向けた重要な一歩を示している。

SWIR光検出のための無毒コロイド量子ドットの課題の克服
銀テルル化物コロイド量子ドットは、従来、高暗電流、限られた線形ダイナミックレンジ、応答速度という3つの課題に直面してきた。

暗電流は、光が存在しないときでも光検出器を流れる小さな電流。暗電流が大きいとノイズが増加するため、弱い信号に対する感度が制限される。LIDARアプリケーションの場合、距離が離れたり、大気干渉が長くなったりすると信号の減衰が大きくなるため、これにより最終的に遠くの物体を検出する能力が制限される。リニアダイナミックレンジとは、検出可能な最小光強度と最大光強度の間の範囲を指す。範囲が広いほど、SWIR検出器が感知して視覚化できるシーンのコントラストが高くなる。最後に、光検出器の応答速度は、入射光強度の変化にどれだけ迅速に反応できるかを測定する。高速応答により、正確な距離測定や光通信などが容易になる。

ICFOの研究チームは、ちょうど1年前にNature Photonics誌に自ら報告した以前の記録と比較して、3つの特徴すべてを大幅に改善した。具体的には、500nA/cm未満の暗電流密度を達成した2、1400nmの30%の外部量子効率、150dBを超えるLDR、25nsの高速時間応答。これらの成功した結果により、初めて、有害物質制限指令に準拠した材料で作られたコロイド量子ドットを使用して、概念実証のSWIR LIDARを構築することになった。このデバイスは、デシメートルの分解能で10mを超える距離を測定し、LIDARアプリケーション向けのテルル化銀コロイド量子ドットの有望な可能性を示している。

「プロジェクトの開始時には、最終的なデバイス性能がこれほど大幅に向上するとは思っていなかった」と、論文の筆頭共著者、Dr.Yongjie Wangはコメントしている。
チームはまず、量子ドットの合成を最適化して、効率を低下させがちな表面欠陥を排除することから始めた。しかし、この戦略だけでは十分ではなかった。「当初、デバイスのパフォーマンスはあまり満足のいくものではなかった。量子ドット薄膜に硝酸銀の後処理を適用するまで、大きな改善は見られず、この最適化アプローチが有望であることを示唆している」と同氏は付け加えている。

提案されたエンジニアリング戦略は、コロイド量子ドットの費用対効果と製造上の利点を活用してSWIR光電子デバイスの開発を進めると同時に、環境に優しい代替品としての性能を大幅に向上させる。
今後の研究では、現実的な温度と湿度の条件下で、さらに高速な応答時間、より高い量子効率、より信頼性の高い動作を実現することに焦点を当てている。今回の研究を含むこれらの進歩により、最終目標である「家電製品へのSWIR光の普及」に一歩近づくことができる、研究チームは見ている。