С помощью графена улучшили чувствительность инфракрасных фотоприемников

Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Японии и США рассчитали параметры фотоприемников из слоев графена и смеси черного фосфора и мышьяка. Такие сенсоры способны улавливать излучение с энергией меньше запрещенной зоны этих слоев без графена. Также их легко модифицировать для увеличения чувствительности к нужной длине волны света. Подобные сенсоры могут заменить любые приемники дальнего инфракрасного и терагерцового излучения. Результаты опубликованы в журнале Optics Express.

Дальний инфракрасный диапазон крайне важен как в разных бытовых применениях, так и в науке. Такие волны излучает космическая пыль, знания о которой крайне полезны для изучения эволюции галактик. Сенсоры инфракрасного света используются в приборах ночного видения, пультах дистанционного управления, ракетных системах самонаведения и в датчиках сердцебиения. Терагерцовое излучение применяется в системах безопасности для сканирования багажа. Оно при этом безопаснее рентгеновского. Новые сенсоры инфракрасного и терагерцового излучения найдут свое применение во многих областях техники.

Авторы исследования рассмотрели межполосные фотоприемники дальнего инфракрасного излучения на основе одного графенового монослоя. Графен был окружен слоями из смеси черного фосфора и черного мышьяка в различных пропорциях. Регулируя соотношение этих веществ, можно сдвигать рабочий диапазон частот фотоприемника. Черные фосфор и мышьяк имеют разные диапазоны энергий, недоступных для электронов. Переход электрона (или дырки) из одной разрешенной зоны графена в другую с последующим выходом в зону проводимости черного фосфора или мышьяка регистрируется в подобном фотоприемнике. Однако из-за температурных эффектов в сенсорах инфракрасного и терагерцового диапазона регистрируется сигнал даже «в темноте», то есть без воздействия электромагнитных волн. Оказалось, что в рассмотренных слоистых структурах такой темновой ток гораздо меньше, чем в используемых сегодня.