Разработан быстрый и точный оптический сенсор на основе одиночной углеродной нанотрубки — Naked Science
9 минут
РНФ

Разработан быстрый и точный оптический сенсор на основе одиночной углеродной нанотрубки

4.3

При помощи лазерной обработки российские ученые вместе с европейскими коллегами изготовили высокочувствительные детекторы фотонов. В основе технологии лежит управление свойствами углеродных нанотрубок. Новые детекторы помогут в разработке квантовых компьютеров, камер с высоким разрешением, более эффективных интегральных микросхем и других устройств.

Разработан быстрый и точный оптический сенсор на основе одиночной углеродной нанотрубки / ©Getty images

Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ), а статья о ее результатах опубликована в журнале Advanced Electronic Materials. Одностенные углеродные нанотрубки состоят из свернутых в цилиндры листов графена, который построен из шестигранных углеродных «сот». Электроны в структуре нанотрубки двигаются необычно. Эти отрицательно заряженные частицы «прыгают» с одного места на другое, а там, откуда они уходят, остаются положительно заряженные «дырки».

Поскольку электрический ток — направленное движение электронов, проводимость таких материалов можно регулировать. Это позволяет создавать на основе углеродных нанотрубок высокочувствительные сенсоры, транзисторы, наноантенны, светодиоды и другие устройства. К ним относятся и фотодетекторы, преобразующие оптический сигнал в электрический.

«Фотодетекторы — это широкий класс приборов, которые используются в разных сферах: от простых видеокамер фиксации нарушений на дорогах и до систем обработки информации в оптических интегральных схемах. Если эти элементы сделать более миниатюрными, то больше поместится в матрицы фото- и видеокамер, что улучшит их разрешение.

Также на основе уменьшенных фотодетекторов можно проводить исследования химических и биологических процессов, сопровождающихся спонтанным оптическим излучением, и разрабатывать новые вычислительные устройства на основе квантовых компьютеров», — пояснил руководитель проекта по гранту РНФ Иван Бобринецкий, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Национального исследовательского университета МИЭТ.

Часто ученые добавляют к конструкции нанотрубки дополнительные молекулы или покрытия, чтобы настроить характеристики материала «под заказ». Но при использовании традиционных методов (метод вытягивания, электрофорез, метод контактной и переносной печати и другие) в графеновый лист попадают примеси и образуются дефекты, ухудшающие свойства материала.


Трехмерная модель гетероперехода в нанотрубке, сформированного фемтосекундным лазером / ©Иван Бобринецкий / МИЭТ

Из-за этого поверхность графенового листа может потерять свои изгибы, а углеродные «соты» — форму, поэтому движение электронов в них будет не таким упорядоченным. Чтобы решить эту проблему, физики предложили модифицировать структуру одностенных углеродных нанотрубок, используя нелинейные эффекты в излучении фемтосекундного лазера (1 фемтосекунда – одна миллионная одной миллиардной секунды).

Ученым удалось создать одномерную гетероструктуру, соединив в одиночной нанотрубке две части с разными электрическими характеристиками. У одной части проводимость почти как у металла, другая имеет свойства полупроводника: ее проводимость зависит от оптического излучения. На стыке этих частей образуется аналог p-n-перехода: электроны стремятся от «металлической» части, где их больше, в другую половину, где преобладают «дырки». Проводимость полученной конструкции изменяется под действием света. На этом и основана работа фотодетектора: уловив оптическое излучение (свет), нанотрубка превратит его в электрическое.

Обработка фемтосекундным лазером оказалась быстрым, простым и эффективным методом, меняющим проводимость нанотрубки и ее реакцию на свет. Фотодетектор, разработанный учеными, способен засечь одиночный импульс длительностью 300 фемтосекунд и мощностью всего лишь 0,2 мВт/см2. Это соответствует мощностям оптических волоконных систем, которые применяются в телекоммуникации.

Руководитель проекта Иван Бобринецкий / ©Фото из личного архива

«Фотодетектор на основе одной нанотрубки обеспечивает высокую чувствительность к видимому оптическому излучению в сочетании с высоким быстродействием, — рассказал Иван Бобринецкий. — Данная технология нанофотоники открывает новые возможности использования оптических методов при создании элементов наноразмерных оптоэлектронных устройств.

Более того, предложенная оптическая технология формирования детекторов позволяет управлять свойствами в процессе создания, подстраивая функциональные характеристики под заданные параметры, чего лишен традиционный подход к производству современных интегральных микросхем».

Кроме МИЭТ, работы по проекту проводились в Сколковском институте науки и технологий, Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН, Московском физико-техническом институте, Московском государственном педагогическом университете, Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова, Центре применения лазеров AIMEN (Испания), Университете Аальто (Финляндия) и Нови-Садском университе (Сербия).

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
РНФ
9 статей
РНФ осуществляет финансовую и организационную поддержку фундаментальных и поисковых научных исследований посредством финансирования прошедших конкурсный отбор научных, научно-технических программ и проектов.
7 часов назад
6 минут
РНФ

Российские исследователи изучили регенеративные свойства эндометрия — слизистой оболочки, которая покрывает внутреннюю часть матки. Они нашли компонент, который не дает образовываться рубцовой ткани и сохраняет функциональность органов. В будущем это поможет в предотвращении рубцов и восстановлении функций и эластичности тканей.

Вчера, 21:06
5 минут
Мария Кривоченко

Им удалось найти среду, где вырабатываются новые костные и иммунные клетки. Оказалось, для поддержания этой среды необходимо постоянное движение, например регулярные тренировки.

Вчера, 20:10
8 минут
Мария Азарова

Американский ученый взялся понять, на чем основан стереотип об атеистах как аморальных людях, и узнать, чем их моральные ценности отличаются от таковых у верующих.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

22 февраля
5 минут
Илья Ведмеденко

Новое видео демонстрирует использование новейшего российского разведывательно-ударного БПЛА «Орион» на территории Сирии. Ранее этот комплекс приняли на вооружение.

27 января
6 минут
Василий Парфенов

Интересным наблюдением поделились сотрудники Чернобыльского радиационно-экологического биосферного заповедника. Они уже более трех лет следят за жизнью стада одичавших коров, поведение которого сильно отличается от того, что можно наблюдать у домашних сельскохозяйственных животных.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: