Физики: ток в фотодетекторе можно создавать за счет формы контактов

Новый подход к созданию двумерных фотодетекторов экспериментально проработали исследователи из МФТИ, 14 февраля сообщает вузовский журнал «За науку».

Идея эксперимента основана на применении контактов заранее продуманной геометрической формы к фотодетектору из двумерного материала. Предложенный физиками постой и технологически масштабируемый метод не требует для создания таких приборов дорогой и сложной операции легирования, которая используется в современных технологиях производства фотодетекторов.

В настоящее время фотодетекторы стали одним из важнейших электронных устройств, которые необходимы во многих областях: от фотографии и видеозаписи до научных и промышленных исследований.

Эти устройства преобразовывают световые сигналы в электрический ток. При том что на свет в природе реагируют многие материалы, например, нагреваясь под излучением, не все из них могут генерировать электрический ток, как это происходит в некоторых светочувствительных материалах, из которых и изготавливают фотодетекторы.

При облучении таких материалов свет передает свою энергию электрону, который освобождается от своего связанного состояния в атоме. Однако в этом случае все направления его движения равновероятны. Для направленного движения электронов, т. е. фототока, нужно электрическое поле.

Его можно создать даже с помощью простой батарейки, но при этом в материале возникают сильные электронные шумы. Чтобы избавиться от них, в середине ХХ века стали использовать легирование материала фотодетектора. Примеси с разной валентностью в исходном материале создают внутреннее электрическое поле и без внешних источников.

Именно этот метод создания встроенных полей для создания фотодетекторов до сих пор является основным. Однако ученые не оставляют надежду найти способ обойтись при изготовлении фотодетектора без легирования. Технологические преимущества в этом случае будут огромными.

Без легирования процесс производства прибора значительно упростится и подешевеет. Кроме того, отсутствие нефоточувствительных атомов повысит скорость движения электронов, то есть у прибора возрастет скорость срабатывания.

Именно такой фотодетектор изобрели сотрудники лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. В своем изобретении они использовали тот факт, что на границе между двумерным материалом и металлическим проводником, подсоединенным к нему, всегда существует электрическое поле. Оно называется «встроенным полем», так как не требует источников напряжения и неотделимо от границы раздела.

Это поле возникает из-за разницы глубины нахождения электронных уровней энергии в металле и двумерном материале. Но его одного, существующего только на границах «металл — двумерный материал» недостаточно для возникновения фототока, так как к двумерному материалу электронного устройства всегда подходят два металлических провода, а поля, создаваемые ими, в данном случае будут направлены противоположно, и фототоки, возникающие на двух краях двумерного материала, погасят друг друга.

Чтобы этого не произошло, исследователи из МФТИ решили сделать два металлических контакта к двумерному материалу геометрически неодинаковыми. В этом случае падающий свет вблизи одного из контактов может ослабляться, а вблизи другого — усиливаться, а фототоки на противоположных контактах уже не смогут погасить друг друга, то есть прибор прореагирует на свет.

Идея геометрически различных контактов является общей и поэтому применима ко многим двумерным материалам в широком диапазоне длин волн — от микроволнового до видимого излучения. Не имеет значения и физический принцип, по которому излучение возбуждает электроны светочувствительного материала.

Для доказательства справедливости своей идеи исследователи из МФТИ создали и исследовали фотодетектор на основе диселенида палладия, представляющего собой слоистый материал, имевший форму квадрата двух десятков нанометров толщиной. К поперечным сторонам этого материала были подсоединены металлические контакты.

Выяснилось, что падающая световая волна усиливается на том металлическом контакте, который поперечен к электрическому полю световой волны, а на параллельном ее электрическому полю контакте — ослабляется, что и приводит к возникновению фототока при равномерном освещении и без всякого легирования материала.

Старший научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Дмитрий Мыльников рассказал, как они пришли к идее создания такого прибора:

«Сначала мы сделали теоретическую работу по моделированию рассеяния света на границе металла и двумерного материала. Как второстепенный эффект мы обнаружили усиление поля на границе раздела, которое зависело от поляризации падающей волны. Далее мы обнаружили этот эффект экспериментально в приборе на основе графена с обыкновенной формой контактов при неоднородной засветке. И только потом мы догадались, что эффект может быть использован для генерации фототока, если контакты к материалу будут иметь необычную форму».

Развив метод создания контактов с разной геометрической формой, его можно применять не только к фотодетекторам из двумерных атомарно тонких материалов, но и к более изученным квантовым ямам и инверсионным слоям, технология которых, известная со второй половины XX века, хорошо отработана, отмечают разработчики.

Такая возможность вытекает из общих физических законов, на которых основано изобретение — это, во-первых, свойство усиления электромагнитного поля вблизи острых металлических краев, следующее из законов электродинамики Максвелла. А во-вторых, свойство образования встроенного поля между металлами и полупроводниками, вытекающее из закона диффузии.

«Сейчас мы осознаем, что возможность выбора геометрии контактов означает возможность выбора функциональности детектора, — дополнил пояснения коллег младший научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Валентин Сёмкин. — Например, представленный в работе элемент чувствителен к свету с линейной поляризацией и может быть полезен, например, в волоконных линиях передачи данных с поляризационным уплотнением сигнала. Однако уже небольшая модификация геометрии сделает прибор чувствительным к естественному свету, который излучается большинством объектов в природе».

Результаты исследования новой технологии представлены в статье «Фотодетектирование с нулевым смещением в 2D-материалах посредством геометрического проектирования контактов», опубликованной в журнале Nano Letters.