Оптоэлектронные устройства — приборы, преобразующие свет в электрический ток или наоборот, — используют в технике, информационных технологиях и медицине. Для работы любых подобных устройств нужны электроды — элементы, проводящие сгенерированный под действием света электрический ток.
Как показали исследования, оптические приборы, в которых электроды хорошо пропускают через себя свет, эффективнее тех, в которых электроды непрозрачны. Но ученым пока не удалось создать универсальные прозрачные электроды.
Сотрудники Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) впервые разработали электроды на основе дигерманида кальция — соединения, состоящего из чередующихся двумерных слоев атомов кальция и германия. Ученые вырастили тонкие (толщиной в десятки тысяч раз меньше миллиметра) пленки этого материала, осаждая в вакуумной камере кальций и германий на подложку из оксида алюминия и проводя их температурную обработку при 750−850°C.
Прозрачность полученных образцов оценили, пропуская через них свет разных длин волн. Материал пропускает до 78% излучения, но преимущественно в инфракрасном диапазоне от 1000 до 4000 нанометров. Чтобы улучшить характеристики электродов, физики решили сделать с помощью лазера в пленке небольшие квадратные отверстия, так, чтобы на поверхности материала появился «клетчатый» узор. Такая лазерная обработка (перфорация) позволила повысить прозрачность электрода до 90%, особенно в видимой области спектра. В результате электрод стал прозрачным уже в более широком диапазоне длин световых волн: от 400 до 7000 нанометров, при этом обработка не оказала существенного влияния на его электрические характеристики.
«Лазерная обработка приводит к образованию полностью прозрачных микроотверстий, и, чем больше их плотность, тем выше общая прозрачность области с узором. В то же время чрезмерная перфорация обычно приводит к увеличению электрического сопротивления пленки — второй важной характеристики любого прозрачного проводящего электрода. Чем выше сопротивление, тем больше потери при пропускании тока через электрод. В этом отношении необходим баланс между оптическим пропусканием и электропроводностью», — объяснил руководитель проекта Александр Кучмижак, ведущий научный сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Авторы протестировали работу новых электродов, включив их в конструкцию германиевого фотодетектора — устройства, улавливающего свет и преобразующего его в электрический сигнал. Эксперимент показал, что чувствительность такого прибора на электродах из дигерманида кальция на 85% превышает коммерческие аналоги. Также датчик может улавливать более широкий диапазон длин световых волн: 800–2200 нанометров по сравнению с 800–1900 у других подобных устройств.
«Самое очевидное и прямое применение полученных результатов — это развитие приборной базы телекоммуникационных технологий. Исследованные нами фотодетекторы и электроды чувствительнее аналогов, а также улавливают более широкий диапазон длин волн. Поэтому они помогут усовершенствовать линии оптической связи, например передачу интернет-трафика по оптоволокну», — отметил участник проекта Александр Шевлягин, старший научный сотрудник лаборатории оптики и электрофизики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Ученые уверены, что разработку также можно будет использовать при создании «умных» покрытий, которые, оставаясь оптически прозрачными, способны проводить электрический ток. Такие покрытия позволят создавать «умные» окна с функцией антизапотевания и антиобледенения, которые помогут существенно повысить энергоэффективность зданий.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале ACS Applied Electronic Materials.
