Предложен высокочувствительный сенсор на основе графена с черным фосфором и мышьяком

Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Японии и США рассчитали параметры фотоприемников для дальнего инфракрасного и терагерцового диапазонов. Сенсоры из слоев графена и смеси черных фосфора и мышьяка будут чувствительны к излучению с куда меньшей энергией, чем существующие аналоги без графена. Также их легко модифицировать для увеличения чувствительности к нужной длине волны света. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Express, кратко о них сообщается в пресс-релизе МФТИ.

Сенсоры дальнего инфракрасного диапазона требуются как в научных исследованиях, так и в разных прикладных областях. Такие волны излучает космическая пыль, знания о которой важны для изучения эволюции галактик. Сенсоры инфракрасного света используются в приборах ночного видения, пультах дистанционного управления, ракетных системах самонаведения и в датчиках сердцебиения. Терагерцовое излучение применяется в системах безопасности для сканирования багажа.

Авторы исследования рассмотрели межполосные фотоприемники дальнего инфракрасного излучения на основе одного графенового монослоя. Графен был окружен слоями из смеси черного фосфора и черного мышьяка в различных пропорциях. Регулируя соотношение этих веществ, можно сдвигать рабочий диапазон частот фотоприемника. Черные фосфор и мышьяк имеют разные диапазоны энергий, недоступных для электронов. Переход электрона (или дырки) из одной разрешенной зоны графена в другую с последующим выходом в зону проводимости черного фосфора или мышьяка регистрируется в подобном фотоприемнике. Однако из-за температурных эффектов в сенсорах инфракрасного и терагерцового диапазона регистрируется сигнал даже «в темноте», то есть без воздействия электромагнитных волн. Оказалось, что в рассмотренных слоистых структурах такой темновой ток гораздо меньше, чем в используемых сегодня.

«Мы рассчитали параметры светочувствительных элементов, которые могут улавливать дальний инфракрасный свет, изготовленных на основе графенового монослоя. Такие фотоприемники могут заменить почти любые используемые сегодня датчики инфракрасного и терагерцового излучения. За счет слабого темнового тока и высокой фоточувствительности можно добиться отличного соотношения "сигнал — шум" даже при приеме излучения низкой интенсивности. Если приложить нужное напряжение, рабочий диапазон таких приемников можно менять без потери качества приема сигнала. Подобные сенсоры могут повысить эффективность работы инфракрасных телескопов. Рассчитанные приемники при высоких температурах должны давать гораздо более чистый сигнал, чем используемые сегодня», — рассказывает заведующий лабораторией двумерных материалов и наноустройств МФТИ Виктор Рыжий.