Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Фотодетектор на основе графена и квантовых точек бьет новый рекорд

Ключевые слова:  графен, квантовые точки, фотодетектор

Опубликовал(а):  Поверенная Мария

24 мая 2012

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


Источник: nanotechweb.org



Комментарии
Люблю новые технологии.Заменители электричества нужны,вот сколько это все будет стоит?
Со временем центы.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Неорганическая чешуекрылая
Неорганическая чешуекрылая

Премии Правительства Москвы молодым ученым за 2019 год
Объявлены лауреаты премии Правительства Москвы молодым ученым за 2019 год. Премией отмечены 50 работ молодых столичных ученых. Среди лауреатов 12 сотрудников МГУ имени М.В.Ломоносова. Конкурс на получение премий Правительства Москвы молодым ученым проводится с 2013 года. Торжественное награждение победителей состоится 7 февраля 2020 года в Государственном Кремлевском дворце.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Перерождение кремния: от полупроводника к металлу. Морская губка – основа для создания новых наноструктурных композитов. Нитрид-борные аналоги углеродных колец. Лучшие научные сюжеты года по версии APS. Сверхпроводимость ставит новый температурный рекорд. Звук переносит массу? Всяко-разно.

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 6)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-6
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Да пребудет с вами сила плазмонов!
А.А.Семенова, Э.Н.Никельшпарг, Е.А.Гудилин, Н.А.Браже
Ученые Московского университета приблизились к решению проблем современной медицинской диагностики с использованием единичных клеток и их органелл путем разработки новых неинвазивных оптических методов анализа.

Юрий Добровольский: «Через 50 лет вся энергия будет вырабатываться биоорганизмами»
Андрей Бабицкий, Юрий Добровольский
Главный редактор ПостНауки Андрей Бабицкий побеседовал с химиком Юрием Добровольским о науке о материалах, будущем энергетики и новых аккумуляторах

Константин Жижин, член-корреспондент РАН: «Бор безграничен»
Наталия Лескова
Беседа с К.Ю. Жижиным, заместителем директора Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова по научной работе, главным научным сотрудником лаборатории химии легких элементов и кластеров.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.