Створено найтонший фотодетектор

Вчені з Центру фізики інтегрованих наноструктур (Center for Integrated Nanostructure Physics), працюючи разом з вченими з Інституту фундаментальних наук (Institute for Basic Science, IBS), розробили структуру найтоншого у світі фотодатчика на сьогоднішній день. Цей датчик, який служить для перетворення енергії світла в електричний струм, складається з двох шарів графена, між яким затиснутий шар дисульфіду молібдену, і він має товщину в 1.3 нанометра, в десять разів менше, ніж розміри найменших кремнієвих фотодіодів. Завдяки малим розмірам, такі датчики можуть бути використані в пристроях Інтернету Речей, в надмініатюрний електроніці і в фотоелектроніці.

Незважаючи на багато чудових параметри, графен володіє одним недоліком, цей матеріал знаходить напівпровідникові властивості тільки під впливом ряду певних факторів, що звужує область його застосування в чистому вигляді в електроніці. Тому вчені вирішили “розбавити” графен матеріалом, що має яскраво виражені напівпровідникові властивості. Вони помістили шар дисульфіду молібдену між двома шарами графена і розташували все це на поверхні кремнієвої підкладки.Спочатку вчені сумнівалися в тому, що настільки тонкий пристрій взагалі зможе зробити будь-якої електричний струм за рахунок фотоефекту. “Пристрій, що має тільки один шар дисульфіду молібдену, не може розглядатися, як звичайний pn перехід, де позитивні і негативні заряди відокремлені один від одного і створюють внутрішнє електричне поле” – розповідає Ю Ву Джонг (YU Woo Jong), провідний дослідник, – ” Однак, коли ми висвітлили виготовлену нами структуру, ми виявили фотоелектричний струм досить великий сили. Це є дивним фактом, адже цей струм проведений не звичайним pn переходом і все це потребує додаткових дослідженнях “.

Проводячи додаткові дослідження, вчені порівняли роботу двох фотодетекторів, з одним шаром дисульфіду молібдену у сім шарів. Як і слід було очікувати, пристрій з сімома шарами виявилося здатне поглинати більшу кількість світла, ніж зведення з одним шаром, однак останнє мало більш високу чутливість і швидкість реакції на зміни світлового потоку. Більш того, пристрій з сімома шарами поглинало світло в ширшому діапазоні. Однак далі вчені натрапили на свого роду парадокс – пристрій з одним шаром дисульфіду молібдену виявилося здатним виробляти в сім разів більший електричний струм, ніж більш товсте пристрій.

Вчені пояснюють виявлений парадокс тим, що виникнення фотоелектричного струму в даному випадку можна пояснити не з точки зору класичного електромагнетизму, а з точки зору квантової механіки. Для подолання потенційного бар’єру між шарами дисульфіду молібдену і графена, порушені світлом електрони використовують ефект квантового тунельного переходу. І, природно, чим більше товщина пристрою, тим складніше електронам стає зробити квантовий тунельний перехід.

“Створене нами пристрій прозоро, гнучко і для його роботи потрібна менша кількість енергії, ніж для традиційних фотодетекторів на базі кремнієвих напівпровідників” – розповідає Ю Ву Джонг, – “Якщо наші подальші дослідження пройдуть успішно, то в руки людям потрапить абсолютно новий тип фотоелектричного перетворювача , на базі якого можна буде робити високочутливі матриці для швидкісних камер, високоефективні сонячні батареї і багато іншого “.