Фототранзистор сочетает в себе графен и хлорофилл
 Схематическое изображение конструкции созданного фототранзистора. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Графен представляет собой одноатомный слой углерода, образующего гексагональную кристаллическую решетку. За счет такой структуры, графен обладает замечательными оптическими и электронными свойствами, что делает его потенциально полезным для таких устройств, как фотодетекторы или солнечные элементы. Графен поглощает фотоны в широком диапазоне частот, а его способность проводить электроны со скоростью, близкой к релятивистской, означает, что фотоприемники, построенные на основе данного материала, могут иметь крайне низкое время отклика. Тем не менее, перед производителями подобных устройств стоит одна важная проблема: графен в чистом виде имеет очень низкую чувствительность к свету. Лишь 2,7% фотонов в результате соударения с атомами в графене образуют пару электрон-дырка, которые затем могут быть зафиксированы.
Чтобы решить эту проблему ведется поиск гибридных устройств, построенных на основе графена, покрытого другими материалами (поглощающим свет более эффективно). В 2011 году исследователи из Manchester University и Cambridge University (Великобритания) показали, что покрытие плазмонными наноструктурами (пленками из металла, обладающими особой структурой) может привести к увеличению доли поглощенного света почти до 50%. Спустя год их коллеги из Institute of Photonic Sciences (Испания) достигли еще большей чувствительности за счет применения квантовых точек (правда, «заплатить» за эту чувствительность пришлось незначительной потерей в скорости носителей в материале).
Теперь исследователи из Academia Sinica и National Taiwan University (Тайвань) представляют следующий шаг в данном направлении: они создали простое, но эффективное устройство с помощью покрытия из хлорофилла. Этот дешевый и нетоксичный материал добывается из растений, в которых он играет важную роль в преобразовании солнечного света в химическую энергию.
Устройство, представленное научной группой, построено по принципу полевого транзистора. С двух сторон чистого листа графена закреплены два золотых электрода, выполняющих функции истока и стока. На поверхности устройства размещается капля хлорофилла, растворенного в эфире. Этот растворитель быстро испаряется, оставляя на графене тонкую пленку чистого хлорофилла. С противоположной стороны от этой пленки устройство дополняется слоем легированного кремния, что позволяет создать затвор полевого транзистора.
Очевидно, что с помощью прикладывания внешнего напряжения (нужной полярности) к затвору, графен может быть сделан N- или P-легированным. Когда фотон попадает в хлорофилл, он создает пару электрон-дырка, причем, как считают ученые, электроны остаются в хлорофилле, а дырки переходят в графен. Если при этом графен был N-легирован, дырка рекомбинирует с одним из свободных электронов, что уменьшает количество носителей заряда, т.е. снижает проводимость устройства. В обратной ситуации (если графен P-легирован), дырки увеличивают проводимость. Сам по себе графен почти не оказывает сопротивления потоку носителей заряда, поэтому добавление или удаление небольшого количества зарядов существенно влияет на электрический ток, который может протекать между истоком и стоком. По словам исследователей, эта особенность обеспечивает фототранзистору небывалую чувствительность к свету.
Как считает научная группа, их работа демонстрирует перспективы использования биоматериалов для графеновой фотоники. Пока, правда, предложенным устройствам еще далеко до коммерческого использования, поскольку задействованный метод производства «хлопьев» графена (методом отслаивания) слишком трудоемок. Теоретически графен может быть сделан и другими методами (коммерчески-доступными), но в этом случае, как показывает практика, он будет иметь низкую подвижность электронов, т.е. итоговая чувствительность устройства к свету будет ниже. В этих условиях с разработкой вполне могут конкурировать предыдущие предложения на основе квантовых точек.
Также по теме:
- Ученые создали высокочувствительные химические датчики на базе чистого графена
- Ученым удалось создать первый гигагерцовый генератор из графена
- Металлические нанопровода позволят создавать гибкие прозрачные электроды
- Переосмысление единицы силы тока с помощью графена
- Ученые обнаружили бистабильность графена
Источники: