Новосибирские ученые заставили лучи света не отражаться от объекта, а «растекаться» по его поверхности. Для этого им понадобилось покрытие из нанодисков германия, помещенных в слой оксида индия-олова, пояснили в пресс-службе Новосибирского государственного университета.
Новый материал перенаправлял вдоль поверхности подложки примерно 10% падающего света, и еще 30%-40% распространялось под малыми углами к ней. Таким образом исследователи получили метаповерхность — материал с необычными свойствами, не встречающимися в природе.
Изучать метаматериалы в мире начали более десяти лет назад, но получить качественные лабораторные образцы смогли только недавно благодаря современному оборудованию. Их используют в фотоэлектронных преобразователях, например, в солнечных элементах и фотодетекторах.
«Обычно метаповерхности создаются в виде покрытий из наночастиц металла или диэлектрика. Нами в качестве диэлектрика использовался германий, который обладает большим показателем преломления, что является принципиально важным. Покрытия из наночастиц германия служат не только как антиотражающие, но, что более важно, изменяют направление проходящего света, направляя его значительную часть вдоль поверхности и под малыми углами к ней. Нами изготовлены образцы с такими покрытиями и впервые количественно исследованы направления распространения рассеянного света», — рассказал ведущий научный сотрудник Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники АТИЦ ФФ НГУ Александр Шкляев.
Научные сотрудники Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурируемые материалы» Физического факультета НГУ установили, что при использовании изготавливаемых покрытий вдоль поверхностных слоев подложки распространяется около 10% падающего света, а под малыми углами к поверхности ~ 30-40% в зависимости от спектрального диапазона. Покрытия с такими свойствами могут существенно повысить эффективность тонкопленочных фотоэлектронных преобразователей.
При использовании традиционных покрытий в виде сплошных диэлектрических пленок проходящий через них свет практически не изменяет направление своего распространения. При этом значительная часть света, падающего на тонкие пленки, может легко пройти через них, не испытывая поглощения. Если же свет изменит направление и станет двигаться вдоль слоев, вероятность его поглощения возрастает. Поглощение света приводит к созданию электронно-дырочных пар.
Таким образом, покрытия в виде массивов диэлектрических частиц субволнового размера будут эффективнее для тонкопленочных фотоэлектронных преобразователей по сравнению с покрытиями в виде сплошных диэлектрических пленок. В фотодетекторах возможность увеличения количества свободных носителей тока при одинаковой дозе облучения увеличивает их чувствительность, тогда как в солнечных элементах это приводит к большему накоплению электрического заряда на электродах.
Антиотражающие покрытия из компактных диэлектрических частиц не закрывают поверхность полностью, оставляя её большую часть открытой. Такая форма указывает на их перспективность и для использования в фотохимии. Возможность увеличения возбужденных поверхностных состояний при поглощении света повышает скорости химических реакций в фотохимических процессах, в частности, в катализе.
«Теперь нам предстоит показать на конкретных примерах солнечных элементов и фотодетекторов, что применение создаваемых нами антиотражающих покрытий действительно приводит к улучшению характеристик данных устройств. Также было бы важным исследовать протекание фотохимических реакций с применением таких покрытий и установить, повысится ли при этом их эффективность», — отметил Александр Шкляев.
