Фотоэлемент на основе графена 25.09.2013

Сразу три группы физиков: из Австрии, Гонконга и из США представили прототипы фотодетекторов на основе графена. Эти устройства преобразуют инфракрасные оптические сигналы в электрические импульсы, причем эффективность графеновых фотодетекторов выше, чем у аналогичных устройств традиционного типа.

Все три разработки несколько различаются между собой, однако все они используют ключевую особенность графена - способность преобразовывать в электрические импульсы световые кванты с разной энергией. Традиционные фотодетекторы работают за счет того, что квант света передает носителю заряда энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, зазора между энергетическими уровнями в полупроводнике, но графен не является "полноценным" полупроводником и у него нет так называемой запрещенной зоны.

Из-за отсутствия запрещенной зоны графеновые детекторы оказались способны регистрировать (в случае с разработкой группы из Китайского университета в Гонконге) кванты света в среднем инфракрасном диапазоне, с длиной волны от 1,55 до 2,75 микрометров. Авторы утверждают, что их детектор способен функционировать при комнатной температуре, хотя германиевые аналоги с чувствительностью в том же диапазоне требует охлаждения жидким азотом. Как поясняется в Nature News, работа при комнатной температуре может упростить выявление химических веществ в атмосфере и сделать более доступными биохимические исследования в диагностических целях.

Участник американской группы, Дирк Энглунд, физик из Массачусетского технологического института, подчеркнул также то, что скорость передачи данных через фотодетекторы на основе графена составила 12 гигабит в секунду, то есть оказалась сопоставима с обычными полупроводниковыми устройствами. По его прогнозам, стремительный переход на графен произойдет тогда, когда ученые и технологи научатся синтезировать этот двумерный материал в промышленных количествах со стабильно высоким качеством: на сегодня это главное препятствие на пути к графеновой электронике.

Отсутствие запрещенной зоны, как поясняет один из создавших новые детекторы ученых, Томас Мюллер из Технологического института в Вене, сделала его идеальным материалом для устройства, которое преобразует инфракрасные импульсы в электрические.

Мюллер пояснил (и эти пояснения верны для всех трех описанных в Nature Photonics устройств), что графен обещает быть дешевле традиционного германия, а операции с графеном уже достаточно отработаны на технологическом уровне. Ключевой проблемой, которая не позволила раньше создать графеновые фотодетекторы, являлась прозрачность материала: пропускающий свет и инфракрасное излучение графен плохо подходил для прибора, действие которого по определению связано с поглощением излучения. Первые образцы детекторов, полученные в 2009 году и описанные тогда в Nature Nanotechnology имели из-за своей прозрачности очень низкую эффективность и говорить о практическом применении таких устройств было нельзя. Проблему удалось решить только сейчас: выдаваемый детекторами при освещении ток еще не достиг типичного для германиевых приборов значения, но уже более чем в 50 раз превзошел результаты 2009 года. По мнению всех разработчиков, разрыв скоро будет ликвидирован; кроме того, новые детекторы уже превзошли германиевые по другим параметрам.

Из-за большей по сравнению с кремнием и многими полупроводниками подвижности носителей заряда графен считается перспективным материалом для электронных приборов. К числу его недостатков относят отсутствие в немодифицированном графене запрещенной зоны, а также технологическую сложность получения больших однородных листов.