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

 

Цинковый сфагнум
Цинковый сфагнум

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Броуновское движение скирмионов.Растягиваем графен правильно. Красное вино, кофе и чай помогают создавать материалы для гибкой носимой электроники. Металлическая природа кремния и углерода.

К 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире
Эксперты отметили рост числа научных публикаций отечественных ученых и сообщили, что к 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире по публикационной активности.
27 – 29 ноября в рамках юбилейных мероприятий Химического факультета МГУ и торжественной церемонии закрытия Международного года Периодической таблицы химических элементов эксперты подвели итоги 2019 г.

Итоги Менделеевского Года
28 ноября в Фундаментальной библиотеке МГУ состоялось торжественное закрытие Международного года Периодической таблицы химических элементов Д.И.Менделеева.

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.

Мембраны правят миром
Коллектив авторов, Гудилин Е.А.
Ученые МГУ за счет детального изучения структурных и морфологических характеристик материалов на основе оксида графена и 2D-карбидов титана, а также моделирования их свойств, улучшили методы создания мембран для широкого круга практических применений.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

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.