Исследовательская группа в Южной Корее разработала сенсорный материал нового поколения, способный интегрировать обнаружение различных длин волн света.
Совместная исследовательская группа под руководством доктора Усок Сонга из Корейского научно-исследовательского института химических технологий (KRICT) и профессора Дэ Хо Юна из Университета Сунгкинкван успешно разработала новый широкополосный фотодетекторный материал, который может обнаруживать более широкий диапазон длин волн по сравнению с существующими коммерческими материалами. Синтез материала обошёлся недорого и был выполнен на 6-дюймовой подложке размером с вафельный лист.
Это исследование [опубликовано](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c06541) в журнале ACS Nano.
Обнаружение различных длин волн
Фотодетекторы обычно делятся на разные категории в зависимости от диапазона длин волн, который они обнаруживают. Они находят применение в интеллектуальных устройствах, системах безопасности, мониторинге окружающей среды и здравоохранении.
До сих пор требовались отдельные датчики для видимого, ближнего инфракрасного (NIR), среднего инфракрасного (MWIR) и длинноволнового инфракрасного (LWIR) диапазонов. Например, автономным автомобилям или военным дронам необходимо было устанавливать несколько датчиков для разных функций. Однако широкополосные фотодетекторы объединяют несколько диапазонов длин волн в одном датчике.
Обычные широкополосные датчики на основе двумерных (2D) материалов могли обнаруживать только от видимого до NIR диапазона, в то время как обнаружение MWIR и LWIR было ограничено. Их низкая стабильность при колебаниях влажности и температуры препятствовала использованию на открытом воздухе или в оборонных целях.
Новый материал для фотодетекторов
Недавно разработанный широкополосный фотодетекторный материал обнаруживает полный спектр от видимого до LWIR и сохраняет стабильность даже при высоких температурах и высокой влажности. Это позволяет упростить конструкцию устройств и снизить производственные затраты за счёт замены нескольких датчиков одним интегрированным устройством.
Например, автономный автомобиль или военный дрон может объединить датчики видимого света (для дневной съёмки и распознавания), датчики NIR, такие как LiDAR (для измерения расстояния), и датчики MWIR/LWIR (для ночного обнаружения людей) в одном устройстве.
Команда использовала топологический кристаллический изолятор (SnSe₀.₉Te₀.₁), полученный из двумерного полупроводника селенида олова (SnSe) с заменой теллуром (Te).
Как квантовый материал, ТКИ демонстрируют узкую запрещённую зону, что позволяет обнаруживать длинноволновое излучение, такое как MWIR и LWIR, сохраняя при этом высокую стабильность.
В отличие от обычных двумерных полупроводников, которые не могут обнаруживать фотоны низкой энергии из-за широкой запрещённой зоны, структура ТКИ позволяет электронам свободно перемещаться по поверхностным состояниям, обеспечивая широкополосное и высокочувствительное обнаружение, включая слабое тепловое излучение LWIR, такое как излучение, испускаемое человеческими пальцами.
В результате этот новый материал обеспечивает широкополосное обнаружение примерно в 8 раз более широком диапазоне (0,5–9,6 мкм) по сравнению с обычными двумерными полупроводниками (0,4–1,2 мкм). Он также тонкий, лёгкий и высокостабильный при высоких температурах, влажности и даже в подводных условиях.
Ещё одним ключевым преимуществом является упрощённый и недорогой процесс изготовления.
Президент KRICT Ён-Кук Ли подчеркнул: «Этот прорыв ознаменует поворотный момент в замене дорогостоящих импортных широкополосных датчиков и откроет эру высокопроизводительных, производимых внутри страны широкополосных датчиков».