Ученые разработали инновационный прозрачный электрод, который состоит из соединения германия и кальция, и который смог увеличить светочувствительность экспериментального фотодетектора на 85%.
Эти новые электроды будут иметь широкое применение, включая использование в волоконно-оптических линиях для передачи информации с высокой скоростью, а также в создании специальных покрытий для интеллектуальных окон, способных предотвращать обледенение и запотевание благодаря своей способности эффективно нагреваться при подаче небольшого электрического напряжения.
Результаты этого исследования, которое было поддержано грантом от Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журнале, посвященному оптоэлектронным устройствам.
Оптоэлектронные устройства играют все более важную роль в области техники, информационных технологий и медицины.
Например, оптоволокно позволяет передавать данные на большие расстояния с высокой скоростью, оптоэлектронные микросхемы повышают производительность и надежность компьютеров, а солнечные батареи становятся все более популярными.
Для работы таких устройств важны прозрачные электроды, которые способны проводить электрический ток, возникающий под воздействием света.
Исследования показали, что оптические устройства с прозрачными электродами эффективнее, чем устройства с непрозрачными.
Но на сегодняшний день ученым не удалось разработать универсальные прозрачные электроды: обычно такие материалы обладают хорошей прозрачностью только в определенном спектральном диапазоне, например, видимом или ближнем инфракрасном, либо имеют недостаточную проводимость, что снижает их эффективность.
Недавно ученые из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (Владивосток) представили новые электроды, созданные на основе дигерманида кальция. Это соединение состоит из чередующихся слоев атомов кальция и германия.
Исследователи смогли вырастить тонкие пленки данного материала, толщина которых составляет всего десятые доли миллиметра. Процесс создания электродов включал осаждение кальция и германия на подложку из оксида алюминия в вакуумной камере, а затем температурную обработку при 750−850°C. Дальнейшие исследования позволили оценить прозрачность этих образцов. Оказалось, что материал способен пропускать до 78% излучения, причем основной диапазон приходится на инфракрасную область от 1000 до 4000 нанометров.
Для улучшения характеристик электродов ученые прибегли к применению лазерной обработки. С их помощью были созданы небольшие квадратные отверстия на поверхности материала, образуя
При прохождении тока через электроды возникают потери, которые увеличиваются с ростом сопротивления. Важно найти баланс между оптической пропускной способностью и электропроводностью, объясняет руководитель проекта, который получил поддержку от РНФ.
Этот кандидат физико-математических наук является ведущим научным сотрудником лаборатории прецизионных оптических методов измерения в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН. В ходе исследования авторы интегрировали новые электроды в германиевый фотодетектор - устройство, которое преобразует свет в электрический сигнал. Эксперименты показали, что такой фотодетектор с электродами из дигерманида кальция обладает на 85% более высокой чувствительностью по сравнению с коммерческими аналогами. Кроме того, он способен регистрировать более широкий спектр световых длин волн: от 800 до 2200 нм, по сравнению с 800–1900 нм у других устройств подобного типа.
Один из участников проекта, также поддержанного грантом РНФ, и кандидат физико-математических наук, является старшим научным сотрудником лаборатории оптики и электрофизики в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН. Согласно ученым, основное направление применения полученных результатов - развитие приборов для телекоммуникационных технологий. Исследованные фотодетекторы и электроды имеют высокую чувствительность и способность регистрировать широкий диапазон длин волн, что улучшит оптоволоконные линии передачи данных, такие как передача интернет-трафика.
Эти технологии также могут быть использованы для создания «умных» покрытий, которые являются оптически прозрачными и способны проводить электрический ток. Такие покрытия позволят создавать «умные» окна, которые обладают антизапотевающим и антиобледенительным эффектом, что значительно повысит энергоэффективность зданий.