Ученые предложили недорогую и нетоксичную технологию получения материала, улавливающего ближний и коротковолновой инфракрасный свет с эффективностью до 96%. На его основе авторы сконструировали детектор, который преобразует свет в электричество за десятки микросекунд и может лечь в основу новых систем ночного видения, оптической связи и медицинской диагностики. Разработка значительно упростит и удешевит производство подобных устройств, работающих с инфракрасным излучением. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Alloys and Compounds.
В медицине и технике широко используются инфракрасные датчики: они нужны, например, для передачи данных по оптоволокну, визуализации сосудов и опухолей во время операций, а также в системах ночного видения и бесконтактных термометрах. Однако самый распространенный материал для таких датчиков — кремний — улавливает только узкий диапазон длин волн — видимый и ближний инфракрасный свет, — что ограничивает его применение.
Несколько более широким диапазоном обладает германий, однако он отражает до 40% падающего света, из-за чего эффективность детекторов на его основе ограничена. Чтобы материал лучше улавливал излучение, на его поверхности создают микрорельеф — выпуклости в виде мельчайших пирамидок, которые работают как ловушки для света. Существующие методы создания такого рельефа слишком дороги и неэкологичны, а потому ученые ищут новые подходы.
Исследователи из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток), Института химии ДВО РАН (Владивосток) и Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) предложили простую технологию, позволяющую получить пластины германия с микрорельефом, оптимальным для поглощения света.
Ученые поместили изначально гладкую (зеркальную) пластину в нагретую до 60°C смесь серной кислоты и перекиси водорода. В результате химической реакции с раствором на поверхности германия образовался плотный массив пирамидок высотой в тысячные доли миллиметра. Такая текстура уменьшила среднее отражение света (а значит, и оптические потери) с 40% до 12%.
Затем авторы дополнительно нанесли на полученный микрорельеф тонкий слой из германида магния (соединения германия с магнием), который снизил отражение до рекордных 4,2% и тем самым позволил материалу улавливать почти 96% ближнего и коротковолнового инфракрасного света и расширить диапазон поглощаемых длин волн. На основе такого композита ученые сконструировали фотодетектор, который улавливает инфракрасный свет с длиной волны от 800 до 3000 нанометров. Для сравнения, существующие приборы-аналоги на основе германия и его композитов, требующих более дорогой и сложной обработки поверхности, воспринимают и преобразуют в электрический сигнал излучение с длиной волны не более 2200 нанометров.
Авторы подчеркивают: в области длин волн, которые используются в телекоммуникациях (1550 нанометров), прибор преобразует свет в электрический сигнал с эффективностью 100%, а сам этот процесс занимает примерно десятки микросекунд. Благодаря таким показателям устройство может потенциально использоваться в системах высокоскоростной связи.
«Разработанная технология делает инфракрасную оптику и сенсорику безопаснее и дешевле. В своей работе мы использовали доступные и нетоксичные материалы, совместимые с существующим полупроводниковым производством. Это позволит снизить стоимость и повысить экологичность детекторов, востребованных в системах безопасности, медицинской диагностики и экологического мониторинга. В дальнейшем мы планируем оптимизировать конструкцию детектора, чтобы повысить прозрачность верхнего электрического контакта. Кроме того, мы намерены исследовать применение нашей технологии текстурирования для создания германиевых солнечных элементов, где микрорельеф может дать такой же эффект, как в кремниевой технологии», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Шевлягин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории синхротронных методов изучения свойств новых функциональных наноматериалов оптоэлектроники, нанофотоники и тераностики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
