Colloidal quantum dots based bolometers
Authors:   , Kumar Gaurav 
Published: April 2024

(English) Bolometer technology, crucial for uncooled thermal detection in thermography, industrial inspection, monitoring, and surveillance applications, relies on thermistors primarily made of VOx, a-Si, and Si/SiGe QWs materials. Sustained growth demands the exploration of new material platforms and continuous improvements in device development strategies. Recently, the scientific community has recognized colloidal quantum dots (CQDs) as a disruptive technology, highlighted by the Nobel Prize in Chemistry. Their tunable properties have led to the creation of cutting-edge devices such as photodetectors, solar cells, and lasers. Furthermore, the COVID-19 outbreak emphasized the urgent need for affordable and compact thermal sensing devices, underscoring the importance of uncooled thermal detectors for the welfare of humankind.

CQDs have been investigated here as a new material platform for infrared (IR) bolometer devices. Following this, the CQD films with varying sizes of the QDs were first examined for their temperature-dependent behaviour, which revealed a size-dependent resistivity and temperature-coefficient of resistance (TCR) and exhibited a sharp rise in these parameters for QDs smaller than ~4.5 nm. The lateral geometry devices thus prepared showed TCR values > 4 %/K but with high resistivity (resistance) values > MΩ (< GΩ). To modulate the activation energy (Ea) and TCR effectively, a potential barrier structure was developed with QDs of different sizes stacked alternatively on top of each other and referred to as a QPBT structure. This configuration allowed precise modulation of the potential energy landscape for the charge carriers. Various geometrical parameters such as barrier height and width, and no. of barrier layers were found to affect its performance. This structure also helped in mitigating the problem of high-pixel resistance with lateral geometry.

For IR absorption, a metal-insulator-metal-based plasmonic metamaterial absorber (MIM-PMA) has been developed by utilizing QDs for the dielectric spacer of the structure. Two types of absorber geometries have been studied and the results from FDTD-based simulations and fabricated structures have been compared. The first type of geometry utilizes one type of QDs as a dielectric layer and is designed to fit on top of the QPBT structure to perform photothermal conversion. The second geometry utilizes the QPBT structure itself as the dielectric layer and thus integrates the absorber and thermistor structures to simplify the fabrication process in addition to other distinct advantages.

Further, the integration of the QPBT and MA structures has been demonstrated. The ease of integration of CQDs-based components allowed the fabrication of fully functional devices. The completed bolometer devices displayed IR sensing properties through thermal detection and the device current exhibited a peak at a wavelength corresponding to the resonant wavelength of the MA structure implying a successful integration. The devices showed fast time response with ~4 ms time response and peak detectivity around ~10^4 Jones. Although the devices showed lower detectivity than commercial bolometer devices, an improvement in the device performance is expected with further optimization of the device geometry.

In summary, this thesis explores the suitability of QDs for bolometer technology, laying the groundwork for expanding QD technology horizons. The work presented here is anticipated to contribute to the continuous advancement and improvement of uncooled IR sensing devices and pave the way for low-cost development and wider dissemination of IR bolometer technology.

(Català) Els termistors, principalment formats per VOx, a-Si i Si/Se QWs, constitueixen un dels elements principals de la tecnologia bolomètrica, crucial en el camp de la detecció tèrmica sense refredament aplicada en termografia, inspecció industrial, monitoratge i vigilància. El seu creixement constant requereix la investigació de nous materials i la millora contínua de les estratègies de desenvolupament dels dispositius. Recentment, la comunitat científica, avalada pel premi Nobel de Química, ha reconegut l’ús de punts quàntics en dispersió col·loidal (CQDs) com una tecnologia rupturista. Les seves propietats variables han portat a la creació de dispositius innovadors com ara fotodetectors, cel·les solars i làsers. Addicionalment, el brot de COVID-19 ha realçat la necessitat urgent de disposar de dispositius de detecció tèrmica compactes i econòmics, emfatitzant la importància dels detectors tèrmics sense refredament per al benestar de la humanitat.

Aquesta tesi investiga l’ús de CQDs com a nous materials per a bolòmetres d’infrarojos (IR). Les pel·lícules formades amb CQD de diferents mides van ser examinades pel seu comportament depenent de la temperatura, revelant una dependència entre la mida dels CQDs i la resistivitat i el coeficient tèrmic de resistència (TCR) i exhibint una pujada abrupta d’aquests paràmetres en els QDs més petits (<4.5 nm). Els dispositius de geometria lateral preparats van mostrar valors de TCR > 4 %/K, però amb valors de resistivitat (resistència) alts > MΩ (< GΩ). Per modular eficientment l’energia d’activació (Ea) i el TCR es va dissenyar una estructura formada a partir de pel·lícules amb QD de diferents mides apilades alternativament unes sobre altres, anomenada estructura QPBT, per actuar com a barrera de potencial. Aquesta configuració va permetre la modulació precisa del panorama d'energia potencial dels transportadors de càrrega. S’ha descobert que diversos paràmetres geomètrics com ara l'altura, l'amplada i el nombre de capes de barrera afecten el seu rendiment. Aquesta estructura també ajuda en la mitigació de la resistència de píxel alta amb la geometria lateral.

Per l’absorció d’IR s’ha desenvolupat un absorbent metamaterial plasmònic de tipus metall-aïllant-metall (MIM-PMA) emprant els QDs com a separadors dielèctric de l’estructura. S'han estudiat dos tipus de geometries absorbents i s'han presentat simulacions basades en FDTD juntament amb els resultats de les estructures fabricades. El primer tipus de geometria utilitza un tipus de QD com a capa dielèctrica i està dissenyat per ajustar-se sobre l'estructura QPBT per realitzar la conversió de llum a calor a través de la ressonància plasmònica. La segona geometria utilitza l'estructura QPBT mateixa com a capa dielèctrica i, per tant, integra les estructures absorbents i termistores per simplificar el procés de fabricació, a més a més d’aportar altres avantatges distintius.

Altrament, s'ha demostrat la integració de les estructures QPBT i MA. La facilitat d'integrar components basats en CQDs va permetre la fabricació de dispositius totalment funcionals. Els dispositius van mostrar una resposta ràpida amb un temps de resposta d'aproximadament ~4 ms i una detectivitat màxima d'aproximadament ~104 Jones. Tot i que els dispositius van presentar una detectivitat més baixa que els bolòmetres comercials, es preveu una millora en el rendiment del dispositiu mitjançant una optimització addicional de la geometria del dispositiu.

En resum, aquesta tesi explora la idoneïtat dels QDs per a la tecnologia bolomètrica, establint les bases per expandir els horitzons de la tecnologia QD. Aquest estudi contribueix en el continu progrés i millora dels dispositius d’escaneig d’IR sense refredament i aplana el camí al desenvolupament de la tecnologia bolomètrica d’IR de baix cost i l’ampliació de la seva divulgació.