Десорбция кислорода под действием УФ-излучения
Фотодетекторы, которые используются во множестве систем и приборов — от смартфонов до межпланетных станций, — 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, говорится в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.
«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 соавтор 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 (см. Схема). Освобожденные электроны теперь могут переносить заряд, создавая фототок даже при минимально детектируемой оптической мощности (60 пиковатт) и малой разности потенциалов (около 0,5 вольта).
«Таким образом, подобный полимерный фотодетектор можно превратить в широкополосное и высокочувствительное устройство. Это быстрый, дешевый и эффективный процесс, что очень важно для практических применений», — отмечает Вадим Агафонов.
Как пишут авторы в статье, достаточно при сборке один раз облучить фотодетектор ультрафиолетом, чтобы он превратился в широкополосный. Причем приобретенные свойства будут сохраняться, поскольку после сборки фотодетектора слой полупроводника будет закрыт слоем алюминия, защищающим его от кислорода.
Ученые надеются, что, немного изменив конструкцию фотодетектора, можно устранить «побочные эффекты» ультрафиолетового облучения (например, высокий темновой ток), сохранив при этом высокую чувствительность прибора и широкий спектральный диапазон. Облученные фотодетекторы могут найти множество применений: от получения изображений до измерения состава атмосферы.
