Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и их коллеги из Самары, Индии и Саудовской Аравии разработали сверхчувствительный фотодетектор на основе нанослоев дисульфида титана. Этот новый для оптоэлектроники материал поглощает большую часть солнечного спектра и представляется перспективным не только для фотодетекторов, но и для новых фотокаталитических элементов. Результаты исследования опубликованы в Journal of Materials Research and Technology.
Фотодетекторы широко применяются в науке и телекоммуникациях. Благодаря быстрому росту оптоволоконных сетей большим спросом пользуются высокоскоростные и высокоэффективные фотодетекторы, работающие в широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Фотодетекторы инфракрасного диапазона используются для дистанционного измерения температуры, камер ночного видения, в астрономии, а также для устройств распознавания цели.
Обычно коммерческие фотодетекторы делают на основе полупроводников. Важные свойства фотодетекторов — рабочий диапазон, эффективность, чувствительность — зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника, скорости и плотности носителей тока. Исследователи используют новейшие наноматериалы и наноструктуры для создания высокопроизводительных фотодетекторов. Ученые обратили внимание на слоистые кристаллы дисульфида титана (TiS2), которые, подобно пиролитическому графиту, могут быть расслоены вплоть до монослоя. Двумерные слоистые наноструктуры дихалькогенидов переходных металлов обладают уникальными электронными и оптоэлектронными свойствами. Эти материалы имеют преимущество перед графеном с точки зрения настройки ширины запрещенной зоны. Ранее в двумерных слоях TiS2 наблюдали возникновение тока при поглощении света. Совокупность этих свойств мотивировала ученых на разработку фотодетектора на основе нанослоев дисульфида титана. В отличие от ранее изученных двумерных аналогов, фотодетектор на нанослоях не требовал использования сложных и дорогостоящих техник изготовления.
Физики синтезировали нанокристаллы дисульфида титана методом химического газового транспорта, после чего эти слоистые нанокристаллы были ориентированы на рабочей поверхности фотодетектора с использованием техники диэлектрофореза. Ученые детально изучили характеристики фотодетектора, освещая его светодиодными лампами на разных длинах волн с разной плотностью мощности излучения.
«Созданный нами фотодетектор показал себя стабильным сверхчувствительным устройством с широким рабочим диапазоном. Мы можем сказать, что нанолисты TiS2 могут быть использованы в качестве превосходного материала для оптоэлектронных устройств будущего», — прокомментировал результаты исследования доктор Прабхаш Мишра, старший научный сотрудник и победитель конкурса ведущих ученых с международным опытом программы 5-100 МФТИ.
(а) изображение рабочей части фотодетектора, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа после выравнивания микрометровых нанослоев дисульфида титана между электродами. (b) принципиальная схема фотодетектора. Источник: Journal of Materials Research and Technology
Валентин Волков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, резюмировал: «Мы также обнаружили, что разработанный материал может поглощать свет даже в дальнем инфракрасном диапазоне. Солнечный спектр почти на 43% состоит из инфракрасного излучения. Обычно используются материалы с широкой запрещенной зоной, которые поглощают свет только в видимой области, а большая часть энергии в инфракрасной области остается неиспользованной. Нанолисты дисульфида титана могут использоваться в качестве эффективного фотокаталитического материала в ИК-области спектра, например в реакции фотокатализа для очистки воды».
Нанолисты дисульфида титана оказались многообещающим материалом для оптоэлектронных устройств. В современных технологиях существует высокий спрос на широкополосные фотодетекторы, которые являются экономичными и простыми в изготовлении, быстрыми и сверхчувствительными. Рабочие характеристики разработанного фотоприемника удовлетворяют этим требованиям и превосходят имеющиеся аналоги.
