Чувствительность инфракрасных сенсоров повысили в 100 тыс. раз
Международный научный коллектив из российских исследователей и гонконгских коллег разработал технологию, которая может сделать инфракрасные сенсоры и оптические чипы гораздо более компактными и чувствительными. На вооружение взята лазерная печать метаповерхностей - микроскопических структур, способных управлять светом и усиливать его сигнал, сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.
В работах участвовали сотрудники Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) Университета ИТМО в Санкт-Петербурге, Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН и университетов Гонконга.
Метаповерхность, как напомнили в пресс-службе - это ультратонкий слой, состоящий из упорядоченных наноструктур. Они в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Несмотря на свою миниатюрность, такой слой может выполнять работу обычных линз или дифракционных решеток: фокусировать, преломлять или усиливать свет. Раньше создание таких структур требовало сложной и дорогой литографии - многоэтапного процесса, похожего на производство микросхем.
"Создание лазерного метода печати метаповерхностей, поддерживающих связанные состояния в континууме, является важным шагом на пути внедрения таких устройств в различные технологические области, включая инфракрасную сенсорику и оптоэлектронику", - отметил член авторского коллектива, доцент базовой кафедры фотоники и цифровых лазерных технологий Политехнического института ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН Александр Кучмижак.
Новая технология использует фемтосекундный лазер - прибор, который отправляет сверхкороткие импульсы света. Лазер не сжигает и не испаряет материал, а аккуратно деформирует тонкую золотую пленку, создавая на ней массив микроскопических бугорков. При правильном расположении эти бугорки работают как готовая метаповерхность, способная улавливать и усиливать инфракрасное излучение.
Секрет эффективности разработки - в физическом эффекте, который ученые называют "связанные состояния в континууме". Cвет попадает в ловушку на поверхности наноструктуры и многократно отражается внутри нее, концентрируясь в одной точке. Это позволяет усилить слабые оптические сигналы в сотни тысяч раз.
В эксперименте золотая метаповерхность усилила нелинейный сигнал примерно в 100 тысяч раз по сравнению с гладкой золотой пленкой. А варьируя размер бугорков и расстояние между ними, ученые могут настраивать устройство на разные длины волн - от 1,3 до 8 микрометров, что охватывает широчайший инфракрасный диапазон.
Чтобы доказать эффективность технологии, исследователи напечатали метаповерхность прямо на электродах полевого транзистора - одного из основных элементов современной электроники. В качестве активного слоя они использовали квантовые точки теллурида ртути - полупроводниковые наночастицы. Получившийся гибридный фотодетектор показал значительно более высокий фототок по сравнению с аналогичным устройством без наноструктур. При охлаждении до минус 73 градусов прибор достиг рекордной чувствительности. Это лучший показатель среди подобных устройств на квантовых точках.
Разработка, по мысли ее авторов, открывает путь к созданию новых компактных и чувствительных инфракрасных сенсоров, оптических чипов и детекторов излучения. Такие устройства могут найти применение в медицине для диагностики, в системах безопасности, в промышленности и в научных исследованиях. Технология позволяет создавать фотодетекторы прямо на существующих элементах электроники, что упрощает их интеграцию в реальные устройства.
Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications .