В МФТИ "широко раскрыли глаза" фотодетекторам с помощью ультрафиолета

Учёные из МФТИ, Китая и Саудовской Аравии нашли способ заставить фотодетектор видеть в широком диапазоне. Оказалось, что для этого достаточно воздействовать ультрафиолетом на обычный узкополосный детектор. Соответствующая статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Обычный фотодетектор видит лишь в достаточно узком диапазоне, что на практике часто неудобно. Достаточно представить, что было бы, если бы глаз различал только зелёный цвет и не видел красных и синих частей спектра. Глаза человека часто превосходят массовые устройства такого рода по ширине доступного им диапазона. Идеальным вариантом было бы получение детектора, способного видеть не хуже глаз или даже лучше, но это довольно сложно. Если сделать его из вещества, прозрачного для ультрафиолета, он, как правило, будет непрозрачен в инфракрасном свете и наоборот. Можно создать и нечто универсальное, но это требует экзотических и непростых в работе материалов.

В новой работе учёные попробовали превратить полимерные фотодетекторы в широкополосные, которые работают благодаря внутреннему фотоэффекту. Суть последнего в том, что электроны под действием света перераспределяются в полимере, скачкообразно повышая его электропроводность. Измеряя её колебания, детектор получает сведения об изменении освещения.

В эксперименте в течение 30 секунд облучали ультрафиолетом фотодетектор на основе наночастиц оксида цинка и полимера. В результате спектральный диапазон прибора резко расширился. Максимальная внешняя квантовая эффективность — отношение падающих на прибор фотонов к числу "выбитых" из полимера электронов — выросла от 30 до 140 000 процентов. То есть если до облучения ультрафиолетом 10 падавших на прибор фотонов "порождали" три электрона, то после ультрафиолетовой обработки то же количество фотонов "выбивало" сразу 14 тысяч электронов.

Учёные полагают, что ультрафиолет в опыте "отцеплял" своими относительно энергичными фотонами атомы кислорода, прикрепившиеся при сборке детектора к молекулам оксида цинка, связываясь с электронами зоны проводимости. После этого электроны уже не могут участвовать в переносе заряда. После ультрафиолетового облучения часть электронов из зоны валентности переходит в зону проводимости за счёт "пинка" — энергии внешнего регистрируемого излучения, поглощённого частицами оксида цинка.

Переход электронов из одного состояния в другое даёт рекомбинацию электронов и дырок: электроны заполняют дырки, а ранее связанные с электронами атомы кислорода просто отсоединяются от молекул оксида цинка. Освобождённые электроны теперь могут переносить заряд, создавая фототок даже при минимально детектируемой оптической мощности (60 пиковатт) и малой разности потенциалов (около 0,5 вольта).

Исследователи отмечают, что их метод превращения узкополосных фотодетекторов в широкополосные — довольно быстрый, дешёвый и эффективный процесс, что очень важно для практических применений. Такие фотодетекторы отличаются от традиционных полупроводниковых более низкой стоимостью и простотой в изготовлении. К тому же их можно сделать гибкими. При сборке достаточно один раз облучить фотодетектор ультрафиолетом, чтобы он превратился в широкополосный. Причём приобретённые свойства будут сохраняться, поскольку после сборки фотодетектора слой полупроводника будет закрыт слоем алюминия, защищающим его от кислорода.