Новый композит для «прозрачной» электроники разработали в ЮФУ

Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) разработали новый композит на основе оксида цинка, который можно применять в качестве резистора для солнечных элементов и устройств «прозрачной» электроники. Преимущества таких фоточувствительных резисторов — в возможности работы в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, очень коротком отклике за долю секунды, а также высокой оптической прозрачности в видимом диапазоне света.

Междисциплинарная команда исследователей, включая опытных ученых и молодых аспирантов из Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ, а также Химического факультета ЮФУ, под руководством профессора Виктора Петрова и доцента Екатерины Баян, занимается разработкой тонких пленок на основе оксида цинка с добавками оксида кобальта или алюминия. Предыдущие исследования этой группы показали, что даже небольшие добавки (в пределах 0,5-3%) влияют на структуру и свойства пленок, открывая двери к многообещающим применениям.

В рамках недавного исследования, результаты которого опубликованы в журнале «Nanomaterials», ученые выполняли поиск простого, недорогого и в то же время перспективного метода синтеза тонких пленок, а также подбирали оптимальные электрофизические параметры для будущего фоточувствительного элемента. Итогом работы стало создание композитов Co₃O₄-ZnO, обладающих уникальными свойствами: они обеспечивают контролируемое изменение электрофизических, оптических и фотоэлектрических характеристик. Это позволило исследователям создать фоточувствительные резисторы ультрафиолетового и видимого диапазонов с поразительно коротким временем отклика в 26 миллисекунд. Более того, алюминиевые пленки Al-ZnO обладают высокой оптической прозрачностью в видимом диапазоне света, достигая 94%, что делает их идеальным материалом для различных оптических устройств. 

«Создание таких материалов — это лишь первый шаг. Нам удалось не только достичь высокой фоточувствительности, но и обеспечить материалы высокой оптической прозрачностью, что открывает новые перспективы для солнечных элементов и устройств „прозрачной“ электроники», — рассказал профессор кафедры техносферной безопасности и химии ИНЭП ЮФУ Виктор Петров.

Созданные учеными тонкие пленки синтезированы с применением запатентованного в ЮФУ низкотемпературного твердофазного пиролиза. Этот метод позволяет создавать пленки толщиной от 30 нм до 600 нм. С помощью коллег из других подразделений ЮФУ, ученые провели обширное исследование полученных пленок, используя методы рентгеновской дифракции, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и Кельвин-зондовой силовой микроскопии. Также они изучили электрофизические и фотоэлектрические свойства на уникальных исследовательских установках, специально разработанных инженерами и сотрудниками ИНЭП.

«Для нас каждый этап исследования по-своему интересен, но, пожалуй, самое захватывающее — это видеть структуру и морфологию полученного материала, а потом результат применения этого материала в датчиках», — отметил Виктор Петров.

Исследователи сообщают, что в мире существует множество новых фоточувствительных материалов. Однако материал, разработанный в Южном федеральном университете, отличается тем, что обладает чувствительностью к свету как в ультрафиолетовом, так и в видимом диапазоне с высокой скоростью реакции. Кроме того, ученые достигли возможности создания оптически прозрачных пленок. Преимущество таких материалов заключается в возможности контролировать не только оптические, но и электрофизические свойства, что позволяет получать материалы с заданными характеристиками для конкретных приборов и устройств.

Полученные материалы и разработанные на их основе приборы не уступают своим мировым аналогам.

Будущие исследования ученых будут посвящены созданию тонких пленок на основе оксида цинка, легированного ионами различных металлов, таких как медь и никель. Они также планируют исследовать оптические, электрические, каталитические и газочувствительные свойства новых материалов с использованием методов математического моделирования, чтобы оценить их потенциал в солнечных элементах и других высокотехнологичных устройствах будущего.

«Прозрачная» электроника — это направление в электронике, которое ориентировано на создание электронных устройств и компонентов, способных функционировать без потери видимости устройства или панели, на которых они установлены. Это означает, что электронные компоненты, такие как транзисторы, светодиоды, сенсоры и другие устройства, изготавливаются из материалов, которые пропускают видимый свет.

Такая электроника имеет множество потенциальных применений. В частности, это прозрачные дисплеи смартфонов и часов; прозрачные солнечные батареи; «умные» очки, контактные линзы и другие устройства дополненной реальности. Также «прозрачную» электронику применяют при создании сенсорных устройств, в медицине и автомобилестроении.

Работа поддержана грантом Российского научного фонда.