Ультратонкий слой из упорядоченных наноструктур — метаповерхность — фокусирует, преломляет или усиливает свет в фотодетекторах, оптических датчиках и других устройствах. Суть новой технологии — в замене дорогой литографии метаповерхностей дешёвой лазерной печатью.
Фемтосекундный лазер деформирует золотую пленку в нужных местах, формируя ловушки. Они многократно отражают и усиливают свет, в конце концов собирая его в нужной точке. В проведенном эксперименте новая метаповерхность усилила нелинейный сигнал примерно в 100 тысяч раз по сравнению с обычной пленкой из золота.
Международная группа ученых с участием исследователей Дальневосточного федерального университета, ИАПУ ДВО РАН, Университета ИТМО, а также университетов Гонконга разработала технологию, которая может сделать инфракрасные сенсоры и оптические чипы более компактными и чувствительными. Речь идет о новом методе лазерной печати метаповерхностей — микроскопических структур, способных управлять светом и усиливать его сигнал.
Метаповерхность — 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 ИК сенсорику и оптоэлектронику», — пояснил один из авторов технологии, кандидат физико-математических наук, доцент Базовой кафедры фотоники и цифровых лазерных технологий Политехнического института ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН Александр Кучмижак.
Ученые предложили более простой и дешевый подход. Они используют 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.
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 широкий 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 °C прибор достиг рекордной чувствительности — 8,7 × 10¹¹ Джонс. Это лучший показатель среди подобных устройств на квантовых точках.
Разработка 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 работы опубликованы в научном журнале Light: Science & Applications.
В 2024 году по отдельному поручению президента России Владимира Путина Дальневосточный федеральный университет вошел в программу строительства кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Вторая очередь кампуса ДВФУ будет включать новый комплекс общежитий на 4000 человек. По поручению президента в стране создается целая сеть современных кампусов. К 2030 году появится созвездие из 25 новых кампусов университетов. Работу по данному направлению ведет Правительство Российской Федерации и Минобрнауки России.
