Фотодетекторы, которые используются во множестве приборов, как правило, реагируют на узкий диапазон длин волн, что создает множество проблем разработчикам. Ученые из МФТИ и их коллеги из Китая и Саудовской Аравии нашли способ справиться с этим. Оказалось, что воздействие ультрафиолета может превратить обычный фотодетектор в широкополосный, сообщается в пресс-релизе МФТИ.
«Фотодетекторы, способные "чувствовать" излучение в широком диапазоне, очень востребованы, но создавать их сложно: трудно подобрать материалы, поскольку вещества, прозрачные для ультрафиолета, как правило, непрозрачны в инфракрасном свете и наоборот. Мы нашли быстрый, дешевый и эффективный способ «расширить» диапазон чувствительности фотодетекторов», – говорит один из авторов статьи Вадим Агафонов, руководитель Центра молекулярной электроники МФТИ.
Он и его коллеги из Института прикладной химии в Чанчуне (Китай) и Университета короля Сауда (Саудовская Аравия) исследовали полимерные фотодетекторы, которые работают благодаря внутреннему фотоэффекту: электроны под действием света перераспределяются в полимере, в результате чего он приобретает способность проводить ток. Такие фотодетекторы отличаются от традиционных полупроводниковых низкой стоимостью и простотой в изготовлении, к тому же их можно сделать гибкими. Оказалось, что ультрафиолетовое излучение, взаимодействуя с поверхностью некоторых элементов фотодетектора, меняет чувствительность прибора.
В эксперименте ученые в течение 30 секунд облучали ультрафиолетом фотодетектор на основе наночастиц из оксида цинка и полимера. В результате рабочий спектральный диапазон прибора резко увеличился, а максимальная внешняя квантовая эффективность (ВКЭ), то есть отношение числа «выбитых» электронов к числу падающих фотонов, возросла от 30 % до 140 000 %. То есть, если до облучения ультрафиолетом 10 фотонов порождали три электрона, то после то же количество фотонов создавало 14 тысяч электронов. Однако вырос и шум – темновой ток, который детектор генерирует даже в полной темноте.
По словам ученых, чудодейственные свойства ультрафиолета объясняются тем, что излучение «отцепляет» атомы кислорода от молекул оксида цинка. При изготовлении фотодетектора молекулы кислорода сорбируются на полупроводниковые частицы ZnO, связываясь с электронами зоны проводимости. Электроны при этом уже не могут участвовать в переносе заряда. В таком состоянии слой оксида цинка является барьером для электронов. При облучении ультрафиолетом часть электронов из зоны валентности переходят в зону проводимости за счет энергии излучения, поглощенного частицами ZnO. В результате происходит рекомбинация электронов и дырок (вакантных мест для электронов), приводящая к отсоединению атомов кислорода. Освобожденные электроны теперь могут переносить заряд, создавая фототок даже при минимально детектируемой оптической мощности (60 пиковатт) и малой разности потенциалов (около 0,5 вольта).
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
