В ближайшем будущем контактные линзы ночного видения могут перестать ассоциироваться с некоторыми научно-фантастическими фильмами и воплотятся в реальном коммерческом продукте. Исследователям из Мичиганского университета удалось разработать первый в мире фотоэлемент на основе графена, работающий при комнатной температуре, который может обнаруживать инфракрасное излучение во всем спектре длин волн.
Как сообщается на сайте университета, в отличие от присутствующих сейчас на рынке фотодетекторов, которые собирают излучение только в пределах среднего и дальнего инфракрасного диапазона, детектор, разработанный инженерами Мичиганского университета, обходится без громоздких систем охлаждения.
«Мы может сделать детектор очень тонким», – рассказывает доцент кафедры электротехники и компьютерных наук Чжаохуэй Чжун. – «Он может быть нанесен на поверхность контактной линзы или интегрирован в мобильное устройство».
Тот факт, что графен, слой углерода толщиной в один атом, может взаимодействовать с инфракрасным излучением во всем спектре длин волн, а также видимым и ультрафиолетовым излучением, известен уже достаточно давно. Однако до недавнего времени использование графена в качестве фотодетектора считали нецелесообразным в силу того, что он не может захватывать необходимое для преобразования в электрический импульс количество света. С толщиной в один атом он способен поглощать только 2,3% света. Работа современных фотодетекторов устроена таким образом, что для преодоления потенциального барьера (зазора между энергетическими уровнями в полупроводнике) квант света должен передать носителю достаточное количество энергии. Однако графен не является «полноценным» полупроводником и не располагает так называемой запрещенной зоной. Если фотон света не можно преобразовать в электрический сигнал, графен не может быть использован в качестве датчика.
«Проблема традиционных фотоэлементов на основе графена в недостаточном уровне чувствительности. Примерно в 100-1000 раз меньше, чем того требует коммерческое устройство», — добавил Чжаохуэй Чжун.
Чтобы преодолеть это препятствие Чжаохуэй Чжун вместе с профессором электротехники и компьютерных наук Жераром А. Муру и аспирантами разработали новую технологию генерации электрического сигнала. Вместо того чтобы напрямую измерять энергию, которая высвобождается в момент, когда свет попадает на графен, они решили усилить эффект путем воздействия на материал постоянным током. Иначе говоря, исследователи объединили вместе два слоя графена, а между ними поместили изолирующий материал. На нижний слой они воздействовали электрическим током, а на верхний – инфракрасным излучением. В момент попадания света на верхний слой графена на месте высвобождавшихся электронов возникали положительно заряженные дырки. При этом сами электроны благодаря туннельному эффекту проникают сквозь диэлектрик в нижний слой графена. В свою очередь оставшиеся в верхнем слое графена дырки создают электрическое поле, которое влияет на движение электронов в нижнем слое.
Измеряя изменения параметров тока в нижнем слое, команде исследователей удалось определить интенсивность света, попадающего на верхний слой графена. Таким образом, новый подход впервые позволил обеспечить для фотоэлемента на основе графена, работающего при комнатной температуре, нужный уровень чувствительности, позволяющий на равных конкурировать с современными кремниевыми матрицами, охлажденными до сверхнизких температур.
К слову, по размерам детектор исследователей из Мичиганского университета сравним с ногтем мизинного пальца.
«Если нам удастся интегрировать детектор в контактную линзу или другую носимую электронику, это расширит возможности зрения, – сообщил Чжаохуэй Чжун. – Оно предоставит пользователям новый способ взаимодействия с окружающей средой».
В настоящее время исследователи занимаются совершенствованием технологии и планируют интеграцию фотоэлемента в различную мобильную электронику. Областей для применения устройств с подобными детекторами множество, от медицины и до робототехники.
Устройство было описано в научной статье «Фотоэлементы на основе графена с широкой полосой пропускания и высокой чувствительностью при комнатных температурах», опубликованной в Nature Nanotechnology.
Источник: Мичиганский университет