Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Японии и США рассчитали параметры фотоприемников из слоев графена и смеси черных фосфора и мышьяка. Такие сенсоры способны улавливать излучение с энергией меньше запрещенной зоны этих слоев без графена. Также их легко модифицировать для увеличения чувствительности к нужной длине волны света. Подобные сенсоры могут заменить любые приемники дальнего инфракрасного и терагерцового излучения.
Фото, сделанное в инфракрасном спектре / ©ru.wikipedia.org
Результаты опубликованы в журнале Optics Express. Дальний инфракрасный диапазон крайне важен как в разных бытовых применениях, так и в науке. Такие волны излучает космическая пыль, знания о которой крайне полезны для изучения эволюции галактик.
Сенсоры инфракрасного света используются в приборах ночного видения, пультах дистанционного управления, ракетных системах самонаведения и в датчиках сердцебиения. Терагерцовое излучение применяется в системах безопасности для сканирования багажа. Оно при этом безопаснее рентгеновского. Новые сенсоры инфракрасного и терагерцового излучения найдут свое применение во многих областях техники.
Авторы исследования рассмотрели межполосные фотоприемники дальнего инфракрасного излучения на основе одного графенового монослоя. Графен был окружен слоями из смеси черного фосфора и черного мышьяка в различных пропорциях. Регулируя соотношение этих веществ, можно сдвигать рабочий диапазон частот фотоприемника. Черные фосфор и мышьяк имеют разные диапазоны энергий, недоступных для электронов.
Переход электрона (или дырки) из одной разрешенной зоны графена в другую с последующим выходом в зону проводимости черного фосфора или мышьяка регистрируется в подобном фотоприемнике. Однако из-за температурных эффектов в сенсорах инфракрасного и терагерцового излучения регистрируется сигнал даже «в темноте», то есть без воздействия электромагнитных волн. Оказалось, что в рассмотренных слоистых структурах такой темновой ток гораздо меньше, чем в используемых сегодня.
«Мы рассчитали параметры светочувствительных элементов, которые могут улавливать дальний инфракрасный свет, изготовленных на основе графенового монослоя. Такие фотоприемники могут заменить почти любые используемые сегодня датчики инфракрасного и терагерцового излучения. За счет слабого темнового тока и высокой фоточувствительности можно добиться отличного соотношения сигнал-шум даже при приеме излучения низкой интенсивности.
Если приложить нужное напряжение, рабочий диапазон таких приемников можно менять без потери качества приема сигнала. Подобные сенсоры могут повысить эффективность работы инфракрасных телескопов. Рассчитанные приемники при высоких температурах должны давать гораздо более чистый сигнал, чем используемые сегодня», – дополняет Виктор Рыжий, заведующий лабораторией двумерных материалов и наноустройств МФТИ.
