Эффективный фотоприемник из нового гибридного материала

Цифровые камеры, как и многие другие электронные устройства, нуждаются в светочувствительных сенсорах. Чтобы удовлетворить растущий спрос на такие оптоэлектронные компоненты, промышленность ищет новые полупроводниковые материалы. Предполагается, что они должны не только охватывать широкий диапазон длин волн, но и быть недорогими. Гибридный материал, разработанный в Дрездене, удовлетворяет обоим этим требованиям. Химани Арора (Himani Arora), аспирант-физик в Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), продемонстрировала, что эту металлоорганическую структуру можно использовать в качестве широкополосного фотоприемника. Поскольку она не содержит дорогостоящего сырья, ее можно производить недорого оптом.

За последние двадцать лет металлоорганические структуры (MOF) стали желанной материальной системой. До сих пор эти высокопористые вещества, до 90% которых состоят из пустого пространства, в основном использовались для хранения газов, для катализа или для медленного высвобождения лекарств в организме человека. «Металлоорганическое каркасное соединение, разработанное в TU Dresden, включает органический материал, интегрированный с ионами железа, - объясняет д-р Артур Эрбе (Artur Erbe), руководитель группы «Транспорт в наноструктурах» Института физики и материаловедения HZDR. - Особенностью этого является то, что каркас формирует наложенные слои с полупроводниковыми свойствами, что делает его потенциально интересным для оптоэлектронных приложений».

У группы была идея использовать новый полупроводниковый двумерный MOF в качестве фотоприемника. Чтобы продолжить это, Химани Арора исследовала электронные свойства полупроводника. В частности, она исследовала, в какой степени светочувствительность зависит от температуры и длины волны, и пришла к многообещающему выводу: полупроводник может обнаруживать широкий диапазон длин волн света - от 400 до 1575 нанометров. Спектр излучения, таким образом, переходит от ультрафиолетового к ближнему инфракрасному.

Спектр длин волн, которые полупроводниковый материал может покрывать и преобразовывать в электрические сигналы, существенно зависит от запрещенной зоны. В типичных полупроводниках валентная зона полностью заполнена, поэтому электроны не могут двигаться. Зона проводимости, с другой стороны, в основном пуста, поэтому электроны могут свободно перемещаться и влиять на течение тока. В то время как запрещенная зона в изоляторах настолько велика, что электроны не могут перейти из зоны валентности в зону проводимости, у металлических проводников таких зон нет. Ширина запрещенной зоны полупроводника достаточно велика, чтобы перевести электроны на более высокий энергетический уровень зоны проводимости с помощью световых волн. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем меньше энергия, необходимая для возбуждения электрона. «Поскольку запрещенная зона в материале, который мы исследовали, очень мала, требуется очень мало световой энергии, чтобы вызвать электричество, - объясняет Химани Арора. - Это причина большого диапазона обнаруживаемого спектра».

Охлаждая детектор до более низких температур, производительность может быть улучшена еще больше, потому что тепловое возбуждение электронов подавлено. Другие улучшения включают оптимизацию конфигурации компонентов, создание более надежных контактов и дальнейшее развитие материала. Результаты показывают, что у фотоприемников на основе MOF будет светлое будущее. Благодаря своим электронным свойствам и недорогому производству, слои MOF являются многообещающими кандидатами для множества оптоэлектронных применений.

«Следующим шагом является масштабирование толщины слоя, - говорит Артур Эрбе, заглядывая вперед. - В исследовании для создания фотоприемника использовались 1,7 мкм пленки MOF. Чтобы интегрировать их в компоненты, они должны быть значительно тоньше». По возможности цель состоит в том, чтобы уменьшить наложенные слои до 70 нм, то есть в 25 раз меньше их размера. До этой толщины слоя материал должен проявлять сопоставимые свойства. Если группа может доказать, что функциональность в этих значительно более тонких слоях остается неизменной, она может приступить к ее разработке до стадии производства.

Физики ГЗДР и ТУ Дрездена разработали фотоприемник, полностью основанный на слоях металлорганических каркасов. Поскольку это соединение может обнаруживать и преобразовывать широкий диапазон длин волн света в электрические сигналы, оно может стать новым материалом детектора

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365