Российские и зарубежные физики превратили графен, лист из углерода толщиной один атом, в эффективный датчик света, почти не потребляющий энергии и не требующий охлаждения, сообщает пресс-служба Российского научного фонда. «Инструкции» по его сборке были представлены в журнале ACS Photonics.
«По сути, мы впервые продемонстрировали новую технологию, основанную на прямой лазерной модификации графена, материала атомной толщины, и впервые продемонстрировали функциональный прибор — фотодетектор, созданный с ее использованием», — рассказывает Иван Бобринецкий из Московского института электронной техники в Зеленограде.
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. За создание графена, обладающего уникальными физико-химическими свойствами, работающие в Великобритании выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию по физике 2010 года.
Не все уникальные свойства графена оказались полезными — к примеру, неожиданно оказалось, что графен крайне трудно превратить в полупроводник, что делает его малопригодным для изготовления электронных приборов, солнечных батарей, лазеров и источников света. Кроме того, графен нельзя растягивать, поскольку он очень хрупкий.
Еще одна проблема заключается в том, что на таких масштабах работе транзисторов, фотоэлементов и других «кирпичиков» электроники начинают мешать силы межатомного взаимодействия и квантовые эффекты. В результате они начинают пропускать ток в обоих направлениях, а свет почти полностью «просачивается» через них. И то и другое не позволяет применять такие устройства в «атомной» микроэлектронике.
Бобринецкий и его коллеги по институту, а также ученые из Германии и Испании нашли способ решить эту проблему, склеив графен с кремниевой подложкой и добавив в него примеси при помощи специального лазера.
Недавно ученые выяснили, что кратковременное облучение листов «нобелевского углерода» при помощи очень коротких вспышек лазера не разрушает их, а меняет их химическую структуру и то, как ведут себя электроны внутри них. Подобное открытие натолкнуло авторов статьи на мысль, что лазеры могут сделать графен более «непрозрачным» для частиц света.
Как показали опыты российских и зарубежных ученых, изменения в поведении графена оказались еще более резкими, чем они ожидали увидеть: мобильность электронов в облученных регионах снизилась на порядки, а сопротивление току выросло в несколько сотен раз. В результате в листе возникли зоны, похожие по свойствам на полупроводник и активно взаимодействовавшие с частицами света.
Благодаря этому графен начал реагировать даже на самые слабые источники света и вырабатывать на несколько порядков больше электричества, чем чистый углеродный материал. Вдобавок лазерная «гравировка» позволила графеновым фотодетекторам работать при более низких температурах и напряжениях, чем удавалось достичь ученым раньше — при комнатной температуре и при девяти милливольтах.
И то и другое, как отмечают Бобринецкий и его коллеги, позволяет использовать подобный графен не только для создания солнечных батарей или детекторов света, но и в качестве компонентов для световых процессоров и прочих электронных устройств, таких как матрицы фотокамер и различные датчики медицинских приборов.
«В опубликованной работе мы показали работоспособность примерно 20 графеновых устройств — фотодетекторов видимого излучения, — рассказал “Стимулу” младший научный сотрудник Научно-образовательного центра “Зондовая микроскопия и нанотехнология” НИУ МИЭТ Алексей Емельянов. — Создание прототипов более сложных устройств (приемо-передающих, спектральных) возможно, но потребует больше времени и инвестиций, чем создание и исследование одиночных структур. У нас в планах стоит развитие технологии формирования графеновых устройств с помощью одного лишь фемтосекундного лазера без дополнительных фотолитографических операций, которые ухудшают качество графена. Но есть ряд технологических проблем, которые необходимо решить. Я думаю, что в ближайшие пять лет есть шанс увидеть на рынке первые устройства, где основным элементом будет выступать графен или углеродные нанотрубки».
По информации https://stimul.online/news/datchik-sveta-tolshchinoy-s-atom/
