Исследователи из Университета Калифорнии в Риверсайде представили мощный новый метод визуализации, который демонстрирует, как передовые материалы, используемые в солнечных панелях и светочувствительных датчиках, преобразуют свет в электричество. Это открывает путь к созданию более совершенных, быстрых и эффективных устройств.
Прорыв в области визуализации
Статья, опубликованная в журнале Science Advances, описывает прорыв, который может привести к улучшению солнечных энергетических систем и технологий оптической связи. Название исследования: «Расшифровка механизмов фототока на наноуровне в интерфейсах ван дер Ваальса для улучшенных оптоэлектронных приложений».
Исследовательская группа под руководством доцентов Мин Лю и Руосюэ Янь из Инженерного колледжа Бурна университета разработала трёхмерный метод визуализации, который позволяет различать два основных процесса преобразования света в электрический ток в квантовых материалах.
Два процесса преобразования света в электричество
Один из процессов, известный как фотоэлектрический (PV) эффект, является хорошо известным механизмом, лежащим в основе солнечных панелей: входящие фотоны света выбивают электроны из полупроводника, создавая поток электричества, который накапливается у контактов электродов и обеспечивает электричество.
Второй процесс, называемый фототермоэлектрическим (PTE) эффектом, менее известен, но не менее важен, особенно в небольших устройствах. В PTE энергия света нагревает электроны в материале, делая их «горячее» окружающей среды. Эти возбуждённые электроны затем естественным образом перемещаются в более холодные области, генерируя электрический ток при своём движении.
Новые возможности в дизайне устройств
«До сих пор мы знали, что оба эффекта происходят, но не могли видеть, какой вклад вносит каждый из них и как они пространственно распределены», — сказал Лю. «С нашей новой техникой мы наконец-то можем их различить и понять, как они работают вместе. Это открывает новые пути для разработки лучших устройств».
Команда сосредоточилась на наноустройствах, изготовленных из дисульфида молибдена (MoS₂) — двумерного полупроводника толщиной всего в несколько атомов — в сочетании с золотыми электродами. Эти ультратонкие структуры вызывают большой интерес для электроники следующего поколения благодаря своим необычным оптическим и электрическим свойствам.
Используя специализированный метод сканирования, который направляет свет через наконечник атомно-силового микроскопа, команды Лю и Янь смогли точно определить, где и как происходят PV и PTE эффекты — вплоть до нанометрового масштаба.
Результаты исследования
Исследователи обнаружили, что, добавив тонкий слой гексагонального нитрида бора (h-BN) поверх MoS₂, они могут направить тепло вбок через материал. Этот перенаправленный тепловой поток усилил PTE эффект, выровняв изменения температуры с изменениями в том, как материал реагирует на тепло, что, по сути, увеличило производство тока.
«Обычно вы пытаетесь локализовать тепло, — сказал Сюй, аспирант, который был первым автором статьи. — Но в этом случае его распространение на самом деле помогло».
Чтобы разделить вклады PV и PTE, исследователи разработали новый метод анализа, который изменяет расстояние между наконечником микроскопа и образцом. Отслеживая, как изменяется сигнал тока на расстоянии, и анализируя его с помощью метода многопорядкового гармонического анализа, они впервые смогли изолировать два эффекта в реальном пространстве.
Это нововведение может помочь инженерам лучше проектировать светочувствительные компоненты в волоконно-оптических системах связи, где устройства становятся всё меньше, а управление теплом становится всё более важным. Оно также может указать путь к более эффективным технологиям солнечной энергетики, особенно тем, которые стремятся использовать как свет, так и тепло.
«Идея о том, что мы можем точно настроить производительность фотодетектора, используя тепловой поток, действительно впечатляет», — сказал Лю.
Исследование проводилось под руководством аспиранта Лю Да Сюй. Команда также сотрудничала с Такаси Танигучи из Национального института материаловедения Японии.
«Мы только начинаем раскрывать, как свет, тепло и электричество взаимодействуют в этих необычных материалах, — сказал Лю. — Ещё многое предстоит обнаружить».
Предоставлено Университетом Калифорнии в Риверсайде.