Физики из России создали датчик света толщиной с атом
Российские и зарубежные физики превратили графен, одноатомный лист из атомов углерода, в очень эффективный датчик света, почти не потребляющий энергии и не требующий охлаждения. "Инструкции" по их сборке были представлены в журнале ACS Photonics.
"По сути, мы впервые продемонстрировали новую технологию, основанную на прямой лазерной модификации графена, материала атомной толщины, и впервые продемонстрировали функциональный прибор - фотодетектор, созданный с ее использованием", - рассказывает Иван Бобринецкий из Московского института электронной техники в Зеленограде, чьи слова передает пресс-служба Российского научного фонда.
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. За создание графена, обладающего уникальными физико-химическими свойствами, работающие в Великобритании выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию 2010 года по физике.
Не все уникальные свойства графена оказались полезными - к примеру, неожиданным образом оказалось, что графен крайне тяжело превратить в полупроводник, что делает его малопригодным для изготовления электронных приборов, солнечных батарей, лазеров и источников света. Кроме того, графен нельзя растягивать из-за очень высокой хрупкости.
Еще одна проблема заключается в том, что на таких масштабах работе транзисторов, фотоэлементов и других "кирпичиков" электроники начинают мешать силы межатомного взаимодействия и квантовые эффекты. В результате этого они начинают пропускать ток в обоих направлениях, а свет почти полностью "просачивается" через них. И то и другое не позволяет применять такие устройства в "атомной" микроэлектронике.
Бобринецкий и его коллеги по институту, а также ученые из Германии и Испании, нашли способ решить эту проблему, склеив графен с кремниевой подложкой и добавив в него примесей при помощи специального лазера.
Недавно ученые выяснили, что кратковременное облучение листов "нобелевского углерода" при помощи очень коротких вспышек лазера не разрушает их, а меняет их химическую структуру и то, как ведут себя электроны внутри них. Подобное открытие натолкнуло авторов статьи на мысль, что лазеры могут сделать графен более "непрозрачным" для частиц света.
Как показали опыты российских и зарубежных ученых, изменения в поведении графена оказались еще более резкими, чем они ожидали увидеть - мобильность электронов в облученных регионах снизилась на порядки, а сопротивление току выросло в несколько сотен раз. В результате этого в листе из нобелевского материала возникли зоны, похожие по свойствам на полупроводник, активно взаимодействовавшие с частицами света.
Благодаря этому графен начал реагировать даже на самые слабые источники света, и вырабатывать на несколько порядков больше электричества, чем чистый углеродный материал. Вдобавок, лазерная "гравировка" позволила графеновым фотодетекторам работать при более низких температурах и напряжениях - при комнатной температуре и при 9 милливольт, чем удавалось достичь ученым раньше.
И то и другое, как отмечают Бобринецкий и его коллеги, позволяет использовать подобный графен не только для создания солнечных батарей или детекторов света, но и в качестве компонентов для световых процессоров и прочих электронных устройств, таких как матрицы фотокамер и различные датчики медицинских приборов.
