Ученые Института фотоники (the Institute of Photonic Sciences (ICFO)) в Барселоне, (Испания) создали новый высокочувствительный фотодетектор на основе графена и квантовых точек. Светочувствительность нового устройства в миллиард раз выше, чем у ранее созданных фотодетекторов на основе графена. По мнению ученых, он может стать идеальным вариантом для огромного количества различных приложений: световых сенсоров, солнечных элементов, инфракрасных камер ночного видения, биомедицинских томографов и др.
«В нашей работе нам удалось скомбинировать графен с полупроводящими нанокристаллами и достичь совершенно новых параметров по светочувствительности и конверсии световой энергии в электрическую», - рассказал в интервью nanotechweb.org один из руководителей исследования Герасимос Константатос (Gerasimos Konstantatos). «В частности, мы рассматриваем нанесение нашего фотодетектора на ультратонкие и гибкие подложки и интеграцию его в устройства существующих компьютерных чипов и камер», - добавил другой научный руководитель проекта Франк Коппенс (Frank Koppens).
Графен представляет собой монослой углерода с гексагональной двумерной кристаллической решеткой, напоминающей соты. Благодаря своим уникальным свойствам этот материал находит применение в бесчисленном количестве технологических приложений и в будущем может заменить кремний в производстве электроники. Одним из таких свойств является необычайно высокая электропроводимость, обусловленная тем, что электроны в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой (дираковские частицы с нулевой массой покоя), т.е. движутся с чрезвычайно высокими скоростями.
Графен с квантовыми точками (Ист: F. Koppens / Nature Nanotechnology).
Графен также является перспективным материалом для фотоники, так как имеет идеальную «внутреннюю квантовую эффективность» - практически каждый фотон, поглощенный материалом, образует электрон-дырочную пару, которая далее может преобразоваться в электрический ток. Благодаря дираковским электронам графен может поглощать свет любого цвета (весь спектр).
Однако, все не так замечательно, как кажется на первый взгляд, «внешняя квантовая эффективность» графена очень низка - он поглощает менее 3% падающего на него света.
Выделение графена
Научные группы Коппенса и Константатоса выделили «частицы» графена из кусочка высококачественного графита по методу «скотча». Этот метод, впервые использованный в 2010 г. Нобелевскими лауреатами Андреем Геймом и Константином Новоселовым, заключается в нанесении на кусочек клейкой ленты графита и последующих процессах склеивания и расклеивания ленты до тех пор, пока среди черных блестящих фрагментов графита на ней не будут видны несколько прозрачных серых частичек. Далее исследователи приклеили ленту с получившимися серыми частичками к подложке и затем удалили ее.
«На подложке мы можем видеть кусочки графита различной толщины и искать среди них те, которые имеют наименьший контраст, - это и есть графен», - объясняет Коппенс, - «Удивительно, что мы можем видеть слой материала толщиной в один атом невооруженным глазом, это возможно только благодаря необычному взаимодействию графена со светом».
Комбинация с квантовыми точками
С помощью нанолитографии ученые присоединили к образцу графена два золотых электрода для последующих электрических измерений. Электроды были установлены с субмикронной точностью в процессе, при котором золото испарялось из резистного шаблона для литографии, специально вычерченного для «частиц» графена электронно-микроскопической пушкой. Следующий шаг заключался в комбинации графена с коллоидными полупроводящими квантовыми точками, фоточувствительными к углеродному материалу.
«Мы выбрали квантовые точки благодаря их уникальным оптоэлектронным свойствам», - сказал Константатос. Эти материалы могут быть «настроены» на поглощение широкого диапазона длин волн светового спектра благодаря способности абсорбировать свет различных длин волн в зависимости от размеров нанокристаллов. Причем они обладают очень высокой интенсивностью поглощения. Более того, квантовые точки могут быть получены в растворе, в процессе напыления, а также методами центробежного литья и струйной печати на любой подложке, включая графен, при низких температурах и на воздухе – те существенные преимущества, которые обеспечивают низкую себестоимость производства и простоту технического исполнения.
Ученые использовали квантовые точки на основе сульфида свинца, потому что область энергий их запрещенной зоны соответствует к следующим технологически важным областям спектра: коротко-волновой и близкой к инфракрасной.
«Важная часть наших экспериментов касалась лигандного обмена - для сшивки квантовых точек с короткими молекулами (длиной около 0,2 нм) и присоединения их к графену», - говорит Константатос. «Этот этап был необходим для пассивации поверхности квантовых точек и также возможности эффективного перехода зарядовых носителей в графен и устранения нежелательной рекомбинации электронов и дырок, которая бы снизила количество тока, произведенного конечным фотодетектором». «Основная проблема заключалась в том, чтобы «сшить» электрические контакты между полупроводящими нанокристаллами и графеном, сохранив при этом высокое качество и необычайную электропроводимость материала», - добавил ученый.
Завершив нанесение тонкой пленки квантовых точек на графен, ученые исследовали полученное устройство, освещая его различными длинами волн и регистрируя соответствующее сопротивление. Фотодетектор реагировал даже на самые малые количества света (практически полную темноту).
Транзисторный механизм с фотодетектором на основе графена и квантовых точек (Ист: F. Koppens / Nature Nanotechnology).
После того, как устройство было собрано в транзисторный механизм, ученые смогли изменять плотность носителей заряда, варьируя напряжение на управляющем электроде. «Благодаря этим измерениям мы смогли очень точно определить внутреннюю квантовую эффективность фотодетектора, она составила свыше 25%», - заявил Коппенс. Использование комбинированного материала «квантовые точки — графен» позволило поднять число одновременно генерируемых электронов на один поглощённый фотон с 1 до 108, в результате уровень чувствительности фотодетектора вырос сразу на девять порядков. «Такой высокий показатель обусловлен тем, что квантовые точки способны очень эффективно поглощать свет, а переход заряженных частиц между двумя этими материалами происходит очень интенсивно», - добавил он.
«Наш детектор может быть использован в цифровых камерах, камерах ночного видения, томографах, а также в ряде других высокочувствительных приложений. Я думаю, его гибкость позволит стать ему идеальным вариантом для гибких солнечных элементов, которые можно будет размещать на объектах любых форм», - говорит Константатос.
Сейчас группа ученых планирует увеличить размер детектора, создав широкоформатные матрицы на его основе. «Мы ожидаем, что в ближайшем будущем большинство автомобилей будут оборудованы системами ночного видения, и наши матрицы могли бы стать основой для них», - заметил Коппенс. Исследователи собираются продолжить работу над улучшением характеристик своего детектора, а именно добиться возможности регистрировать единичные фотоны.
Текущие результаты их работы были опубликованы в Nature Nanotechnology.
Автор: Belle Dumé