Новости перспективных технологий

Найден способ изготовления эффективных фотодетекторов на базе графена

Изображения с сайта science.compulenta.ru

Группа физиков из Кембриджского и Манчестерского университетов, в которую входят лауреаты Нобелевской премии Андрей Гейм и Константин Новосёлов, нашла простой способ увеличения эффективности фотодетекторов, изготавливаемых на базе графена.

Носители заряда в графене при комнатной температуре демонстрируют отличную подвижность и высокую скорость Ферми, что обеспечивает быструю работу и хорошую квантовую эффективность (отношение числа фотонов, поглощение которых привело к образованию электронно-дырочных пар, к общему числу падающих фотонов) графеновых фотоприёмников. Хотя точный механизм преобразования света в ток до сих пор не определён, для разделения созданных электронно-дырочных пар обычно требуется p-n переход, создаваемый вблизи контактов.

К недостаткам графеновых детекторов относят слабое поглощение света (всего 2,3% для излучения, падающего под прямым углом) и сложность «извлечения» фотоэлектронов (в получении тока участвует совсем небольшая часть p-n перехода). Кроме того, в условиях равномерного облучения обоих контактов устройства фототок просто не вырабатывается, если только контакты выполнены не из разных материалов.

Одним из возможных способов решения этих проблем считается использование плазмонных наноструктур. Если разместить их рядом с контактами, наноструктуры будут поглощать излучение и вызывать усиление локального электрического поля, сконцентрированного в области p-n перехода. Иными словами, плазмонные «надстройки» направляют электромагнитную энергию прямо к p-n переходу, а это должно положительно влиять на характеристики фотодетекторов.

Сверху: один из образцов под сканирующим электронным микроскопом. Фиолетовым выделен диоксид кремния, синим — графен, жёлтым — контакты. Масштабная полоска — 20 мкм. Снизу: разные варианты плазмонных наноструктур, расположенных у контактов. Масштабные полоски — 1 мкм. (Иллюстрация из журнала Nature Communications.)

Чтобы оценить эффективность такого решения, учёные изготовили детекторы из однослойного графена с контактами из титана и золота. Наноструктуры разных видов, примеры которых приведены на рисунке выше, располагались рядом с одним из контактов каждого устройства. Последующие опыты, заметим, показали, что наилучшие результаты даёт простая решётка (на рисунке — b).

Направляя лазерное излучение на образцы, авторы следили за тем, как фотонапряжение, измеряемое при комнатной температуре, зависит от структуры контакта. Результаты эксперимента оказались более чем убедительными: плазмонные наноструктуры в несколько раз увеличивали снимаемое фотонапряжение, в некоторых случаях обеспечивая двадцатикратный прирост.

Применение плазмонных наноструктур позволяет резко увеличить фотонапряжение, нормированное на мощность лазера (показано красным). Синим выделены результаты «обычного» плоского контакта, а розовым — кратность прироста фотонапряжения. Опыт выполнялся на длине волны в 514 нм. (Иллюстрация из журнала Nature Communications.)

Полная версия отчёта опубликована в журнале Nature Communications; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Информация с сайта science.compulenta.ru со ссылкой на материалы Манчестерского университета.

Автор оригинального текста: Дмитрий Сафин.