Междисциплинарный коллектив ученых ЮФУ разработал новый композит на основе оксида цинка, который можно применять в качестве резистора для солнечных элементов и устройств «прозрачной» электроники. Уникальность таких фоточувствительных резисторов заключается в возможности работы в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, поразительно коротком отклике за долю секунды, а также высокой оптической прозрачности в видимом диапазоне света.
В ЮФУ разработали быстродействующий фоторезистор для «прозрачной» электроники / © Getty images
В мире науки и технологий бурно развиваются исследования, направленные на создание эффективных фоточувствительных материалов, которые могут не только применяться в солнечных элементах, но и стать основой для «прозрачной» электроники будущего. Один из таких перспективных материалов — оксид цинка — в центре внимания ученых.
Междисциплинарная команда исследователей, включая опытных ученых и молодых аспирантов из Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ, а также Химического факультета ЮФУ, под руководством профессора Виктора Петрова и доцента Екатерины Баян, занимается разработкой тонких пленок на основе оксида цинка с добавками оксида кобальта или алюминия. Активное участие в исследовании принимают аспиранты Александра Иванищева, Мария Волкова, Ирина Гуляева, Ирина Игнатьева, а также доцент ИНЭП Юрий Варзарев. Предыдущие исследования этой группы выявили, что даже небольшие добавки (в пределах 0,5-3 процента) влияют на структуру и свойства пленок, открывая двери к многообещающим применениям.
В рамках недавного исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nanomaterials, ученые выполняли следующую задачу – поиск простого, недорогого и в то же время перспективного метода синтеза тонких пленок, а также подбор оптимальных электрофизических параметров для будущего фоточувствительного элемента.
По итогам работы были созданы композиты Co3O4-ZnO, обладающие уникальными свойствами: они обеспечивают контролируемое изменение электрофизических, оптических и фотоэлектрических характеристик. Это позволило исследователям создать фоточувствительные резисторы ультрафиолетового и видимого диапазонов с поразительно коротким временем отклика в 26 миллисекунд.
Более того, алюминиевые пленки Al-ZnO обладают высокой оптической прозрачностью в видимом диапазоне света, достигая 94 процентов, что делает их идеальным материалом для различных оптических устройств. Данная работа поддержана грантом РНФ.
«Создание таких материалов — это лишь первый шаг. Нам удалось не только достичь высокой фоточувствительности, но и обеспечить материалы высокой оптической прозрачностью, что открывает новые перспективы для солнечных элементов и устройств “прозрачной” электроники», – рассказал доктор технических наук, профессор кафедры техносферной безопасности и химии ИНЭП ЮФУ Виктор Петров.
Созданные учеными тонкие пленки были синтезированы с применением запатентованного в ЮФУ низкотемпературного твердофазного пиролиза. Этот метод позволяет создавать пленки толщиной от 30 нм до 600 нм. С помощью коллег из других подразделений ЮФУ, ученые провели обширное исследование полученных пленок, используя методы рентгеновской дифракции, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и Кельвин-зондовой силовой микроскопии. Также были изучены электрофизические и фотоэлектрические свойства на уникальных исследовательских установках, специально разработанных инженерами и сотрудниками ИНЭП.
«Для нас каждый этап исследования по-своему интересен, но, пожалуй, самое захватывающее — это видеть структуру и морфологию полученного материала, а потом результат применения этого материала в датчиках», – отметил Виктор Петров.
Исследователи сообщают, что в мире существует множество новых фоточувствительных материалов. Однако материал, разработанный в Южном федеральном университете, отличается тем, что обладает чувствительностью к свету как в ультрафиолетовом, так и в видимом диапазоне с высокой скоростью реакции. Кроме того, ученые достигли возможности создания оптически прозрачных пленок. Преимущество таких материалов заключается в возможности контролировать не только оптические, но и электрофизические свойства, что позволяет получать материалы с заданными характеристиками для конкретных приборов и устройств.
Полученные материалы и разработанные на их основе приборы не уступают своим мировым аналогам. Следует отметить, что результаты исследований были опубликованы в 2022-2023 годах в журналах, имеющих квартиль Q1 (Sensors, Nanomaterials) и Q2 (Physica Scripta), и в российском журнале «Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки».
Будущие исследования ученых будут посвящены созданию тонких пленок на основе оксида цинка, легированного ионами различных металлов, таких как медь и никель. Они также планируют исследовать оптические, электрические, каталитические и газочувствительные свойства новых материалов с использованием методов математического моделирования, чтобы оценить их потенциал в солнечных элементах и других высокотехнологичных устройствах будущего.
