Физики из МФТИ нашли геометрическое решение технологической проблемы оптоэлектроники

ru.freepik.com

Фотодетектор — это один из важнейших электронных приборов современности, работающий во многих приложениях от фотографии и видеозаписи до научных и промышленных исследований. Его задача — преобразовывать световые сигналы в электрический ток. Хотя многие материалы в природе реагируют на свет, например нагреваются под излучением, не всякий материал может генерировать необходимый электрический ток. В настоящем фотодетекторе должно существовать предпочтительное направление. Это своеобразный «указатель», показывающий, куда двигаться электронам, на которые подействовал свет.

При облучении материалов свет «выдергивает» электрон из связанного состояния в атоме и делает его свободным. Но, став свободным, электрон не знает, куда ему двигаться: все направления его движения равновероятны. Только если в чувствительном материале есть предпочтительное направление движения, освобожденный светом электрон будет знать, куда ему идти. На макроуровне это будет означать возникновение измеримого фототока.

Избранное направление в светочувствительном материале обычно задается электрическим полем. Это поле можно создать уже с помощью простой батарейки — но такой способ непрактичен, в материале возникают сильные электронные шумы. В середине ХХ века был реализован иной метод, называемый легированием материалов. Добавление примесей с разной валентностью в исходный материал позволяет создать встроенное электрическое поле безо всяких внешних источников. Такой способ создания встроенных полей — а значит, и создания фотодетекторов — главенствует в технологии до сих пор. Тем не менее мечтой множества исследователей является изобретение фотодетектора без легирования. Это сулит огромные технологические преимущества. Во-первых, без легирования процесс производства прибора станет более простым и дешевым. Во-вторых, отсутствие легирования сделает фоточувствительный материал чище. А это значит, что электроны в нем будут двигаться быстрее, так что мы получим прибор с большей скоростью срабатывания.

Сотрудники лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ изобрели фотодетектор, изготовление которого не требует легирования. Изобретение основывается на двух идеях. Первая — на границе между двумерным материалом и металлическими проводниками к нему всегда существует электрическое поле. Его называют «встроенным полем», так как оно неотделимо от границы раздела и не требует источников напряжения. Возникновение этого поля связано с разной глубиной залегания электронных уровней энергии в металле и двумерном материале. Но одного существования встроенного поля на границе «металл — двумерный материал» для появления фототока недостаточно. Ведь к двумерному материалу всегда идет два металлических провода, а поля, которые они создают, направлены противоположно. Поэтому фототоки, возникающие на двух краях двумерного материала, обычно гасят друг друга.

Здесь возникает вторая идея: необходимо сделать два металлических контакта к двумерному материалу геометрически неодинаковыми! Тогда падающий свет вблизи одного из контактов может ослабляться, а вблизи другого — усиливаться. Тогда и фототоки, возникшие на противоположных контактах, уже не смогут погасить друг друга, и прибор в целом будет реагировать на свет.

Рисунок. Слева — иллюстрация принципа работы детектора с геометрически неэквивалентными контактами. Световая волна падает сверху на двумерный материал (зеленый) с металлическими контактами (желтый). Если вектор напряженности в волне E₀ поперечен к металлической кромке, то волна усиливается. Если он параллелен к металлической кромке — волна ослабляется. Это приводит к разному количеству активных электронов на двух встречных контактах детектора. На рисунке справа их больше, слева — меньше. Со стороны экспериментатора это означает измеримый фототок. Справа — микрофотография реально изготовленного и изученного прибора. #1 — оригинальный детектор со взаимно поперечными контактами. #2 — обыкновенный резистор с рабочим телом из двумерного материала и двумя параллельными контактами (для сравнения). Длина белой масштабной линейки — 10 микрон. Иллюстрация: Nano Letters

Идея геометрически различных контактов является общей и применима ко множеству двумерных материалов, к широкому диапазону длин волн — от микроволнового до видимого излучения. Она также не зависит от физического принципа, по которому излучение возбуждает электроны светочувствительного материала. В качестве примера группа исследователей из МФТИ создала и изучила прибор на основе диселенида палладия — слоистого материала с толщиной в пару десятков нанометров. Чешуйка этого материала имела форму квадрата, а металлические контакты были сделаны к двум поперечным сторонам этого квадрата. Оказалось, что падающая световая волна усиливается лишь на том металлическом контакте, который поперечен к электрическому полю световой волны. Волна на контакте, параллельном ее электрическому полю, оказывается ослабленной. Это явление и приводит к желаемому возникновению фототока при равномерном освещении без всякого легирования материала.

«Мы пришли к идее создания такого прибора в несколько шагов, — рассказывает Дмитрий Мыльников, старший научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — 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».

Развитый метод создания контактов с разной геометрической формой применим не только к фотодетекторам из двумерных атомарно тонких материалов, развитие которых началось в 2004 году с графена, но и к более изученным квантовым ямам и инверсионным слоям, технология которых отрабатывается со второй половины XX века. Такая общность ясна из физических законов, на которых основано изобретение. Это свойство усиления электромагнитного поля вблизи острых металлических краев, следующее из законов электродинамики Максвелла, и свойство образования встроенного поля между металлами и полупроводниками, следующее из закона диффузии. Таким образом, двумерный материал диселенид палладия, использованный в исследовании, оказался лишь удобной платформой для демонстрации общего явления.

«Сейчас мы осознаем, что возможность выбора геометрии контактов означает возможность выбора функциональности детектора, — добавляет Валентин Сёмкин, младший научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — 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».

Исследование опубликовано в журнале Nano Letters, доступен препринт. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-72-00078).