Исследователи из Калифорнийского университета 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 науке
Исследование, [опубликованное](https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv7614) в журнале Science Advances, может привести к улучшению солнечных энергетических систем и технологий оптической связи. Название исследования: «Расшифровка механизмов фототока на наноуровне в ван-дер-ваальсовых интерфейсах для улучшенных оптоэлектронных приложений».
Метод трёхмерной визуализации
Команда исследователей под руководством доцентов Мин Лю и Руосюэ Янь из Инженерного колледжа Бурна Калифорнийского университета в Риверсайде разработала метод трёхмерной визуализации, который позволяет различать два фундаментальных процесса преобразования света в электрический ток в квантовых материалах.
Один из процессов, известный как фотоэлектрический (PV) эффект, является хорошо известным механизмом, лежащим в основе [солнечных панелей](https://phys.org/tags/solar+panels/): входящие фотоны света выбивают электроны из полупроводника, создавая поток электричества, который накапливается на контактах электродов и обеспечивает электричество.
Второй процесс, называемый фототермоэлектрическим (PTE) эффектом, менее известен, но не менее важен — особенно в небольших устройствах. В PTE, когда световая энергия нагревает электроны в материале, делая их «горячее» окружающей среды, эти возбуждённые электроны естественным образом перемещаются в более холодные области, генерируя электрический ток при своём движении. Эти электроны имеют тенденцию удаляться от своих накопленных областей вблизи электрода, что противодействует PV-эффекту.
«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 можем разделить их и понять, как они работают вместе. Это открывает новые пути для разработки более совершенных устройств».
Исследование наноматериалов
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](https://phys.org/tags/electrical+properties/).
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.
То, что они обнаружили, удивило их: хотя PV-эффект ожидался на стыке, где золото и MoS₂ встречаются, PTE-эффект распространялся гораздо дальше в материал, чем предполагалось ранее.
«Это противоречит общепринятому мнению», — добавил доктор философии Сюй, первый автор статьи. «Это показывает, что тепловые эффекты могут влиять на электрический выход на гораздо больших площадях, даже вдали от металлического контакта».
Команда также обнаружила, 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 температурные изменения с вариациями того, как материал реагирует на тепло — по сути, усиливая производство тока.
«Обычно вы пытаетесь локализовать тепло», — сказал Сюй. «Но в этом случае его распространение на самом деле помогло».
Новый метод анализа
Чтобы разделить PV- и PTE-вклады, 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, называемого многопорядковым гармоническим анализом, 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. Это также может указать путь к более эффективным технологиям солнечной энергетики, особенно тем, которые нацелены на использование как света, так и тепла.
«Идея о том, что мы можем точно настроить производительность фотодетектора, используя [тепловой поток](https://phys.org/tags/heat+flow/), действительно впечатляет», — сказал Лю.
Исследование проводилось под руководством аспиранта Лю Да Сюй. Команда также сотрудничала с Такаши 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 открыть».
Предоставлено [University of California — Riverside](https://phys.org/partners/university-of-california—riverside/)