Ученые из МФТИ с коллегами из Самары, Индии и Саудовской Аравии разработали сверхчувствительный фотодетектор на основе нанослоев дисульфида титана. Этот новый для оптоэлектроники материал поглощает не только видимый свет, но и инфракрасное излучение.
Фотодетекторы широко применяются в научных приборах и телекоммуникационном оборудовании. 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. Рабочий диапазон, эффективность, чувствительность детектора зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника, скорости и плотности носителей тока. Для создания высокопроизводительных фотодетекторов исследователи используют новейшие наноматериалы и наноструктуры.
Группа российских, индийских и арабских ученых обратила 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. К тому же в двумерных слоях TiS2 наблюдалось появление электрического тока при поглощении света.
Сочетание этих двух важных для фотодетекторов свойств вдохновило группу исследователей, и они решили создать фотодетектор на основе нанослоев дисульфида титана. В отличие от ранее изученных двумерных аналогов, фотодетектор на нанослоях не требовал использования сложной и дорогостоящей техники 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 Прабхаш Мишра из МФТИ, один из авторов исследования.
По словам другого автора работы, Валентина Волкова из МФТИ, разработанный материал может поглощать свет даже в дальнем инфракрасном диапазоне. И это важно. Потому что солнечный спектр почти на 43% состоит из инфракрасного излучения. А в фотодетекторах обычно используются материалы, которые поглощают свет только в видимой области. При этом большая часть энергии в инфракрасной области остается неиспользованной фотодетектором. Нанолисты же дисульфида титана могут использовать инфракрасную часть солнечного спектра, например в реакции фотокатализа для очистки воды.
В общем, нанолисты дисульфида титана оказались многообещающим материалом для оптоэлектронных устройств. Ведь спрос на широкополосные фотодетекторы в современных технологиях сегодня высок. Потому что такие детекторы экономичны и просты в изготовлении, быстры и сверхчувствительны. Рабочие характеристики фотоприемника, разработанного российско-индийско-арабской командой ученых, удовлетворяют этим требованиям и превосходят имеющиеся аналоги.
Результаты исследования опубликованы в Journal of Materials Research and Technology.