16 March 2024, 12:00

Создан прозрачный электрод, который пропускает свет в ИК и видимом диапазоне

Оптоэлектронные устройства — приборы, преобразующие свет в электрический ток или наоборот, — все чаще используются в технике, информационных технологиях и медицине. Так, например, по оптоволокну можно с высокой скоростью передавать данные на большие расстояния, оптоэлектронные микросхемы позволяют сделать работу компьютеров быстрее и надежнее, а солнечные батареи получают все большее распространение с каждым годом. Для работы любых подобных устройств необходимы электроды — элементы, проводящие сгенерированный под действием света электрический ток. Исследования показали, что оптические приборы, в которых электроды хорошо пропускают через себя свет, эффективнее тех, в которых электроды непрозрачны. Однако ученым пока не удалось создать универсальные прозрачные электроды: обычно такие материалы обладают высокой прозрачностью только в каком-то определенном диапазоне, например в видимой или ближней инфракрасной области спектра, либо недостаточно хорошо проводят ток, что также отрицательно сказывается на их эффективности.

Ученые из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) впервые разработали электроды на основе дигерманида кальция — соединения, состоящего из чередующихся двумерных слоев атомов кальция и германия. Авторы вырастили тонкие (толщиной в десятки тысяч раз меньше миллиметра) пленки этого материала, осаждая в вакуумной камере кальций и германий на подложку из оксида алюминия и проводя их температурную обработку при 750−850°C.

Исследователи оценили прозрачность полученных образцов, пропуская через них свет разных длин волн. Оказалось, что материал пропускает до 78% излучения, но преимущественно в инфракрасном диапазоне от 1000 до 4000 нанометров. Чтобы улучшить характеристики электродов, физики решили сделать с помощью лазера в пленке небольшие квадратные отверстия, так, чтобы на поверхности материала появился «клетчатый» узор. Такая лазерная обработка (перфорация) позволила повысить прозрачность электрода до 90%, особенно в видимой области спектра. В результате электрод стал прозрачным уже в более широком диапазоне длин световых волн: от 400 до 7000 нанометров, при этом обработка не оказала существенного влияния на его электрические характеристики.

«Лазерная обработка приводит к образованию полностью прозрачных микроотверстий, и, чем больше их плотность, тем выше общая прозрачность области с узором. В то же время чрезмерная перфорация обычно приводит к увеличению электрического сопротивления пленки — второй важной характеристики любого прозрачного проводящего электрода. Чем выше сопротивление, тем больше потери при пропускании тока через электрод. В этом отношении необходим баланс между оптическим пропусканием и электропроводностью», — объясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Кучмижак, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Затем авторы протестировали работу новых электродов, включив их в конструкцию германиевого фотодетектора — устройства, улавливающего свет и преобразующего его в электрический сигнал. Эксперимент показал, что чувствительность такого прибора на электродах из дигерманида кальция на 85% превышает коммерческие аналоги. Кроме того, датчик оказался способен улавливать более широкий диапазон длин световых волн: 800–2200 нанометров по сравнению с 800–1900 у других подобных устройств.

«Самое очевидное и прямое применение полученных результатов — это развитие приборной базы телекоммуникационных технологий. Исследованные нами фотодетекторы и электроды чувствительнее аналогов, а также улавливают более широкий диапазон длин волн. Поэтому они помогут усовершенствовать линии оптической связи, например передачу интернет-трафика по оптоволокну», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Шевлягин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптики и электрофизики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

По словам авторов, разработку также можно будет использовать при создании так называемых умных покрытий, которые, оставаясь оптически прозрачными, способны проводить электрический ток. Такие покрытия позволят создавать «умные» окна с функцией антизапотевания и антиобледенения, которые помогут существенно повысить энергоэффективность зданий.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Electronic Materials.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Read also

Предложен подход, позволяющий получать световые импульсы разной формы
В обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде, то есть по кривой в виде попеременно опускающихся и поднимающихся дуг. Ранее считалось, что иные формы поля невозможны, но физики предложили теоретический подход, который позволяет получать световые импульсы прямоугольной или треугольной формы. Согласно расчетам, такие изменения формы возникают при взаимодействии импульса с определенными средами с неравномерной плотностью. Треугольные и прямоугольные импульсы могут применяться в квантовых компьютерах для управления кубитами — элементами, отвечающими за хранение и обработку информации.
Laser physics
Optics
Quantum Physics
Theoretical physics
1 February 2024
Разработка спинового вентиля из антиферромагнетика
Французский физик Луи Неель, получивший Нобелевскую премию за работы по антиферромагнетикам, был уверен, что эти материалы не найдут практического применения. Неужели возможно как-то управлять общей намагниченностью материала, состоящего из множества мелких областей, магнитные моменты в которых направлены антипараллельно друг другу? Тем не менее ученые из МФТИ совместно с коллегами из Норвегии и Испании нашли способ применить антиферромагнитные изоляторы для создания спинового вентиля — элемента, применяемого в микроэлектронике и спинтронике.
Electrophysics
Microelectronics
Spintronics
Superconductivity
21 January 2024
Объяснено ступенчатое распространение молний
Ученые выяснили, что наличие локализованных зон повышенной напряженности электрического поля при развитии отрицательных лидеров (каналов) молний обеспечивает их ступенчатое распространение. В случае положительных лидеров таких областей практически нет, поэтому молнии в основном развиваются непрерывно. Понимание того, как распространяются молнии, поможет улучшить методы защиты от них.
Electrodynamics
Electrophysics
Plasma Physics
25 October 2023
Предложен новый подход для получения сверхкоротких оптических импульсов
Ученые предложили теоретическую модель из двух квантовых ям, которая может лечь в основу устройств для формирования сверхкоротких оптических импульсов. Позже их будет возможно использовать для высокоскоростной передачи информации. Импульсы в предложенной системе испускаются электронами, «бегающими» в квантовых ямах и отскакивающими от их стенок подобно упругим мячикам.
Electrophysics
Nanoelectronics
Quantum Physics
23 September 2023
Физики предложили более простой способ искажения идеальных метаматериалов
Таким образом они смогут эффективнее взаимодействовать со светом, что полезно для создания усовершенствованных и миниатюрных лазеров, устройств передачи информации и сенсоров
Materials Science
New techniques
Optics
20 July 2023
Частота возбуждения частиц в волноводе зависит от их местоположения
Эту особенность частиц можно применять для управления атомными системами в устройствах для хранения, шифрования и передачи квантовой информации
Optoelectronics
Quantum Physics
29 May 2023