Новый сверхчувствительный фотодетектор сделан на основе дисульфида титана

Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и их коллеги из Самары, Индии и Саудовской Аравии разработали сверхчувствительный фотодетектор на основе нанослоев дисульфида титана. Этот новый для оптоэлектроники материал поглощает большую часть солнечного спектра и представляется перспективным не только для фотодетекторов, но и для новых фотокаталитических элементов. Результаты исследования опубликованы в Journal of Materials Research and Technology.

Фотодетекторы широко применяются в науке и телекоммуникациях. Благодаря быстрому росту оптоволоконных сетей большим спросом пользуются высокоскоростные и высокоэффективные фотодетекторы, работающие в широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Фотодетекторы инфракрасного диапазона используются для дистанционного измерения температуры, камер ночного видения, в астрономии, а также для устройств распознавания цели.

Обычно коммерческие фотодетекторы делают на основе полупроводников. Важные свойства фотодетекторов  —  рабочий диапазон, эффективность, чувствительность  —  зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника, скорости и плотности носителей тока. Исследователи используют новейшие наноматериалы и наноструктуры для создания высокопроизводительных фотодетекторов. Ученые обратили внимание на слоистые кристаллы дисульфида титана (TiS₂), которые, подобно пиролитическому графиту, могут быть расслоены вплоть до монослоя. Двумерные слоистые наноструктуры дихалькогенидов переходных металлов обладают уникальными электронными и оптоэлектронными свойствами. Эти материалы имеют преимущество перед графеном с точки зрения настройки ширины запрещенной зоны. Ранее в двумерных слоях TiS₂ наблюдали возникновение тока при поглощении света. Совокупность этих свойств мотивировала ученых на разработку фотодетектора на основе нанослоев дисульфида титана. В отличие от ранее изученных двумерных аналогов, фотодетектор на нанослоях не требовал использования сложных и дорогостоящих техник изготовления.

(а) изображение  рабочей части фотодетектора, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа после выравнивания микрометровых нанослоев дисульфида титана между электродами. (b) принципиальная схема фотодетектора. Источник: Journal of Materials Research and Technology

Физики синтезировали нанокристаллы дисульфида титана методом химического газового транспорта, после чего эти слоистые нанокристаллы были ориентированы на рабочей поверхности фотодетектора с использованием техники диэлектрофореза. Ученые детально изучили характеристики фотодетектора, освещая его светодиодными лампами на разных длинах волн с разной плотностью мощности излучения.

«Созданный нами фотодетектор показал себя стабильным сверхчувствительным устройством с широким рабочим диапазоном. Мы можем сказать, что нанолисты TiS2 могут быть использованы в качестве превосходного материала для оптоэлектронных устройств будущего»,  —  прокомментировал результаты исследования доктор Прабхаш Мишра.

Директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков резюмировал: «Мы также обнаружили, что разработанный материал может поглощать свет даже в дальнем инфракрасном диапазоне. Солнечный спектр почти на 43 % состоит из инфракрасного излучения. Обычно используются материалы с широкой запрещенной зоной, которые поглощают свет только в видимой области, а большая часть энергии в инфракрасной области остается неиспользованной. Нанолисты дисульфида титана могут использоваться в качестве эффективного фотокаталитического материала в ИК-области спектра — например, в реакции фотокатализа для очистки воды».