Графеновый фотодетектор интегрируется в компьютерную микросхему

Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics Lomonosov Moscow State University

Графеновый фотодетектор интегрируется в компьютерную микросхему

Источники:
http://nanotechweb.org/cws/article/tech/54812
http://sci-lib.com/article1879.html

Ученые из США создали сверхбыстрый высокопроизводительный фотодетектор на основе графена и кремниевого волновода. Фоточувствительность структуры, произведенной на основе КМОП-техники, в 16 раз превышает лучшие из создававшихся до сих пор графеновых детекторов света.

Кроме того, устройство работает в широком диапазоне длин волн излучения – между 1450 и 1590 нм.

Как считают сами исследователи, предложенный ими детектор может быть идеальным для таких практических приложений, как, к примеру, оптические системы связи со сверхвысокой пропускной способностью.

Как известно, ширина частотной полосы обычных фотоприемников на основе кремния, германия или других полупроводниковых соединений ограничена положением запрещенной зоны для электронов в этих материалах (детектор может фиксировать фотоны с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны для носителей). Графен не имеет запрещенной зоны, поэтому, в принципе, способен обнаружить фотоны любой длины волны.

Графен представляет собой двумерный лист атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку. Данный материал уже в ближайшем будущем может найти применение в самых разных технологических областях.

Считается также, что графен в будущем может заменить кремний в качестве основного материала электронной отрасли.

Это возможно благодаря удивительным свойствам графена, к примеру, его чрезвычайно высокой электропроводности.

Графен также имеет большие перспективы в фотонике, поскольку он поглощает практически каждый фотон, генерируя при этом пару носителей заряда: электрон и дырку проводимости, которые в принципе могут быть преобразованы в электрический ток. Но самое важное, что, благодаря тому, что электроны распространяются в графене, практически не испытывая сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки, он может поглощать свет из широкого спектрального диапазона.

Загвоздка в применении графена в фотонике заключается в том, что данный материал имеет низкую внешнюю квантовую эффективность: менее 3% падающего на него света действительно поглощается. К этой проблеме необходимо прибавить и тот факт, что полезный ток можно извлечь из графена только с помощью устройства, имеющего оптимизированную «ассиметрию» электрических контактов.

Совместная группа ученых из Massachusetts Institute of Technology, IBM и Columbia University (США) в своей последней работе преодолела эти проблемы, скомпоновав оптические волноводы в кремниевых мембранах и двойные слои графена.

В рамках созданной ими конструкции фотоны взаимодействуют с графеном даже на расстоянии порядка нескольких десятков микрон, а это означает, что почти 100% падающих фотонов поглощаются.

Таким образом, интегрированный в конструкцию волновод позволяет графену эффективно собирать фотоны и преобразовывать их в электрический ток.

Чувствительность созданного устройства достигает уровня фотодетекторов из германия в кремниевой цепи.

Важно, что значительного повышения чувствительности относительно предыдущих разработок на основе графена удалось добиться без снижения частоты работы устройства (в отличие, к примеру, от предложенных ранее фотодетекторов на основе сочетания графена и квантовых точек).

Кроме того, устройство работает в широкой спектральной полосе. Как отмечают ученые, разработанный фотодетектор позволяет фиксировать даже фотоны с длиной волны, к примеру, два микрона. Мимо обычного детектора на основе германия такой фотон «полетит» без остановки.

В качестве еще одного полезного свойства нового фотодетектора можно отметить тот факт, что он способен работать без внешнего источника энергии. Поскольку в будущем ученые ожидают удешевления графена (предполагается, что этот материал должен стать дешевле германия), подобные фотодетекторы можно будет производить в коммерческих масштабах.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Photonics.

Источник: http://www.sinp.msu.ru/en/node/13996

Графен – материал будущего

Графен отлично проводит электричество и тепло, химически инертен, прозрачен и подходит как для усиления механических свойств материалов, так и для изготовления гибких устройств.

В силу такой комбинации характеристик графен интересен для оптоэлектронных устройств: камер, фотодетекторов, солнечных панелей и светодиодов.

Несмотря на широкое распространение углерода на нашей планете, графен хорошего качества достаточно дорогой материал: его сложно получать в промышленных количествах. Качество в данном случае играет ключевую роль, поскольку структурные дефекты легко «маскируют» выдающиеся свойства графена.

Самый многообещающий с точки зрения массового производства способ выращивать графен — химическое осаждение из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD). Этот метод позволяет вырастить большой по площади кристалл, но качество графена часто страдает из-за дефектов роста.

Основной дефект в случае CVD — это границы между так называемыми зёрнами — отдельными участками, с середины которых начинается рост кристалла и которые потом «срастаются» в единую «сетку».

Поскольку ориентация кристаллической решётки в каждом из таких зёрен отличается, то на границах встречаются фрагменты, повёрнутые на различные углы относительно друг друга, и при их сращивании возникают утолщения кристалла.

Такие дефекты уменьшают проводимость графена, его химическую инертность и проницаемость. Впрочем, правильно подобранные условия роста графена позволяют выращивать вполне пригодные кристаллы.

Гонка по производству графена высокого качества набирает обороты: методы, подходящие для лаборатории, не так просто перенести в массовое производство. Тем временем инженеры активно примеряют графен к своим сферам разработок, ведь на кону — контроль нового рынка высоких технологий. Недавние разработки в сфере оптоэлектроники — лишь один тому пример.

Современные светодиоды с применением графена

Светодиоды — полупроводниковые источники света — появились в нашем технологическом арсенале в начале 1960-х годов. Самые ранние из них работали в инфракрасном спектре и до сих пор используются для дистанционного управления (пульт телевизора, компьютерная мышь и т.д.).

С ростом качества полупроводниковых кристаллов увеличились надёжность и эффективность диодов (светодиодная лампочка дневного освещения работает 50 тыс. часов). Выращивание всё более разнообразного «ассортимента» соединений привело к тому, что диапазон излучения расширился сначала до видимого спектра, а потом идо ультрафиолетового.

Ультрафиолетовые светодиоды уже сегодня доступны на рынке, но их интенсивность, эффективность и стоимость пока что оставляют желать лучшего. Источники ближнего ультрафиолета {375—395 нм) используются, чтобы проверять подлинность купюр, более коротковолновые (365 нм и ниже) подходят для эффективной дезинфекции и стерилизации помещений

Суть работы светодиодов состоит в том, чтобы преобразовать электричество в свет.

Два прозрачных полупроводника, один из которых имеет дырочную проводимость, а другой — электронную, зажаты между электродами. При достаточном напряжении между ними начинается электролюминесценция: электрон рекомбинирует с дыркой, и в результате излучается фотон с определённой энергией.

Эта энергия зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника: «расстояния» между самым высоким заполненным уровнем энергии и самым низким незаполненным. Меняя состав и структуру полупроводников и соответственно ширину запрещённой зоны, можно задавать цвет светодиода.

Полупроводники обычно плохо проводят ток, поэтому светодиодам нужны отдельные контакты, которые должны быть прозрачными, чтобы не задерживать свет, испускаемый устройством.

Эти контакты обеспечивают подвод электронов и инжекцию дырок, а также отводят тепло, неизменно выделяемое в процессе, без ущерба для работы устройства.

В производстве светодиодов обычно используют оксид индия-олова (ITO, indium tin oxide), но он не годится для ультрафиолетовых устройств, так как перестаёт быть прозрачным в этой части спектра.

Поэтому физики усиленно присматриваются к альтернативам из карбоновых и металлических нанотрубок, например серебряных.

Серебряные нанотрубки хорошо проводят электричество, оптически прозрачны и по всем показателям не уступают ITO. Проблема заключается в том, что они быстро окисляются и, как следствие, теряют свою проводимость.

Чтобы избежать контакта серебра с кислородом, Тае Хун Сео, Сеула Ли и их коллеги из Корейского центра науки и технологии и Чонбукского национального университета придумали композитный электрод, в котором серебряные нанотруб-ки спрятаны под слоем графена.

Чтобы получить графен высокого качества, нужно удачно подобрать параметры процесса: температуру, давление, состав атмосферы и т. д.

Корейские исследователи применили двухступенчатое химическое осаждение при низком давлении.

На первой ступени условия подобраны так, чтобы уменьшить количество зёрен, на второй — уже сформированные зёрна растут с максимальной скоростью, а новые зёрна не успевают сформироваться. Таким образом, вырастает равномерный чистый слой графена.

При одноступенчатом осаждении графена процесс образования и роста зёрен не разделяется, и это приводит к большему количеству кристаллических дефектов.

Тае Хун Ceo с коллегами сделали три вида светодиодов с длиной волны 380 нм: два с композитными электродами — с «двухступенчатым» или «одноступенчатым» графеном и третий — с «голыми» серебряными нанотрубками.

По сравнению с другими электродами в эксперименте электролюминесценция светодиода с электродом с «двухступенчатым» графеном оказалась более однородной и интенсивной при более низком пороговом напряжении (одна из основных характеристик светодиодов — напряжение, при котором начинается испускание света). Это значит, что графен высокого качества лучше распределяет ток вдоль контакта с полупроводником.

Интенсивность света зависит от тока инжекции дырок, и обычно эта величина ограничена тепловыми характеристиками электродов: при высоком токе — по закону Джоуля — выделяется теплота, которая приводит к уменьшению проводимости и даже поломке устройства. Поэтому хорошее распределение тепла необходимо для долговременной и стабильной работы светодиода с высокой интенсивностью.

Оба композитных электрода хорошо справляются с этой задачей. Кроме того, графен защищает электроды от УФ-из-лучения, которое приводит к разрушению нанотрубок, что тоже добавляет надёжности светодиоду: композитные электроды стабильно светятся как минимум 5 минут без перерыва и снижения интенсивности, тогда как электроды из одних серебряных нанотрубок держатся всего лишь 12 секунд.

Главное преимущество композитного электрода с «двухступенчатым» графеном заметно со временем.

Читайте также:  Двухканальный дифференциальный пробник для осциллографа

Графен высокого качества эффективнее предохраняет серебряные нанотрубки от контакта с кислородом: проводимость такого электрода не изменилась через месяц, в отличие от электрода только из нанотрубок или композита с «одноступенчатым» графе-ном, а значит, устройство работает более надёжно.

ГИБКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СВЕТОДИОДОВ

Около 30 лет назад в семействе све-тодиодов появились устройства на органических полупроводниках. Гибкие и сравнительно недорогие, они сегодня занимают заметное место на рынке дисплеев.

В силу своей тонкости и хорошей проводимости графен «просится» на роль прозрачного и гибкого электрода для органических светодиодов, но большинство устройств с графеновыми электродами, разработанных по сей день, не превосходит хрупкий ITO по эффективности.

Вопрос первостепенной важности — максимальная эффективность преобразования электричества в свет, поскольку обычно такие устройства работают от батареек.

Обычно органический светодиод состоит из одного или двух слоев полимеров, зажатых между электродами. Чтобы оптимизировать графеновые электроды для органических светодиодов.

Цейхо Ли и его коллеги из корейских исследовательских центров KAIST и POSTECH использовали многослойную схему для более эффективного подвода зарядов к светоиспускающему слою. Общая толщина устройства составляет около 300 нм, что примерно в 200 раз тоньше человеческого волоса.

Основная потеря эффективности в светодиодах происходит из-за внутреннего отражения, поскольку свет испускается устройством только тогда, когда он падает на поверхность близко к «вертикали». Проблему удалось решить с помощью микрорезонатора.

Между графеном, выращенным в лаборатории, и подложкой нанесён тонкий слой диоксида титана (Ti02) с высоким коэффициентом преломления.

Он отражает свет, который падает под большим углом к поверхности, и свет многократного отражается между ним и верхним электродом, пока не сможет выйти из резонатора.

Другая проблема органических светодиодов — потери за счёт коллективных возбуждений электронов на поверхности между электродом и полупроводником, так называемых поверхностных плазмонных поляритонов. По удачному стечению обстоятельств, слой для инжекции дырок минимизирует эти потери благодаря сравнительно низкому коэффициенту преломления, «перераспределяя» энергию.

Таким образом, за счёт комбинации графена, диоксида титана и удачно подобранного слоя инжекции дырок получается тонкий гибкий органический светодиод с высокой эффективностью.

Его характеристики зависят от конфигурации (однослойная или многослойная структура полимеров, дополнительная собирающая линза и т. п.), но все они превосходят эффективность излучения и потребления мощности подобных светодиодов с электродами из ITO на 20%, а то и больше.

КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ + ГРАФЕН = = ЭФФЕКТИВНЫЙ ФОТОДЕТЕКТОР

Фотодетекторы — это «светодиоды наоборот», они преобразуют свет в электрический сигнал. Иван Никитский и его коллеги из Каталонского института оптики и фотоники (ICFO) активно разрабатывают оптоэлектронные устройства на основе графена.

Центральная идея их работы — интегрировать графен с уже существующей технологией CMOS.

CMOS, или КМОП (комплементарная структура металл — оксид — полупроводник), — фактически полевой транзистор, — центральный элемент стандартныхсовременных микросхем.

Это зрелая технология с отлаженным производством, поэтому совместимость новых устройств с КМОП позволит обойтись без чрезмерных вложений в разработку новых стандартов. К примеру, можно сделать более чувствительный сенсор для камер мобильных телефонов и при выпуске очередной модели добавить съёмку в инфракрасном режиме.

Графен — отличный проводник, и он поглощает свет в широком диапазоне. Это ключевые параметры для высокоэффективного преобразования фотонов в электрический ток на месте, так в чём же проблема?

Дело в том, что графеновые кристаллы слишком тонки (один или несколько атомов) и в силу этого поглощают недостаточно света для сильного сигнала.

Проблема решается совмещением графена с другими полупроводниками: перовски-тами, коллоидными квантовыми точками, нанотрубками и различными двухмерными материалами, но за это приходится расплачиваться итоговой эффективностью устройства и временем отклика.

Эффективный гибридный фотодетектор удалось создать, совместив фотодиод на коллоидных квантовых точках из сульфида свинца с графеновым транзистором высокой добротности и превратив пассивный слой ККТ в активный за счёт полевого эффекта.

Квантовые точки — нанокристаллы полупроводников (от нескольких десятков до сотен нанометров во всехтрёх измерениях). Размер квантовых точек определяет их электронную структуру.

Они настолько малы, что их энергетические уровни находятся далеко друг от друга (как у атомов), в отличие от более крупных объектов, где энергетические уровни «сливаются» в зоны валентности и проводимости.

Благодаря этому даже при комнатной температуре квантовые точки поглощают и испускают свет подобно атомам. Коллоидные квантовые точки растут в растворе, и их размер регулируется за счёт температурного режима.

Это самый простой и безопасный способ выращивать квантовые точки, и его легко наладить в промышленном масштабе. Контроль состава и размера позволяет получить именно ту энергетическую структуру, которая нужна в каждом конкретном случае.

Структура нового детектора напоминает слоёный пирог: ККТ расположены между верхним (оксид индия — олова, ITO) и нижним (графен) затворами транзистора.

При подаче напряжения между ними возникает вертикально направленное электростатическое поле, как между обкладками конденсатора.

При поглощении фотона в квантовых точках образуются пары дырок и электронов, которые начинают дрейфовать к электродам вдоль линий напряжённости электрического поля.

В этом заключается существенное преимущество разработок Каталонского института: благодаря полевому эффекту фотодетектор больше не полагается на медленную диффузию, за счёт чего уменьшается время отклика. Комбинация графена и квантовых точек обеспечивает высокую квантовую эффективность (количество зарядов, преобразованных из каждого поглощённого фотона), то есть чувствительность детектора.

Диапазон работы фотодетектора определяется размером квантовых точек: ККТ «стандартного» размера покрывают весь видимый спектр, тогда как более крупные ККТ сдвигают чувствительность детектора в инфракрасный спектр.

Источник: https://obrmos.ru/news/n_t/tech/news_nt_tech_grafen.html

Революция в передачи информации с помощью света

Сразу три группы исследователей доказали, что графен можно эффективно использовать в деле преобразования света в сигналы, по принципу фотодетекторов. Ученые пишут, что фотодетекторы на основе графена работать будут быстрее обыкновенных и с меньшими затратами энергии. Грядет ли компьютерная революция?

Кабели из оптоволокна, которые передают гигантские объемы информации на огромные расстояния, уже давно считаются основой основ интернета.

Правда, внутри компьютеров информация пока «передвигается» по-другому — в форме электронов, которые перетекают по медным «путям» к микросхемам.

Получается, что схемы передают информацию гораздо медленнее, чем оптические собратья, и затрачивают много больше энергии, а это сказывается на нагреве внутренностей компьютера, замедлении его быстродействия в целом.

В теории, передать бит микросхеме можно, используя свет. Правда, тогда нужно будет ставить на вход и выход схем крошечные фотодетекторы, которые могут преобразовать свет в импульсы. К сожалению, ныне фотодетекторы, сделанные из германия, ограничены достаточно узким диапазоном.

Вот здесь недостатки графена станут его преимуществами.

Если германий способен зарегистрировать лишь те фотоны, чьей энергии достаточно, чтобы преодолеть энергический барьер в запрещенной зоне, после чего заряд будет свободно передвигаться по полупроводнику, то графен работает по-другому.

«Графен способен регистрировать волну с любой длиной, — он не имеет запрещенной зоны», — объясняет Томас Мюллер, физик Венского техуниверситета. Со слов исследователей, графен дешевле,чем германий, и проще интегрируется в кремниевую основу.

Каковы же причины, по которым ученые только сейчас обратили внимание на такие возможности графена, хотя материал уже не нов? Первые графеновые фотодетекторы создали к 2009-му, но они были удивительно не эффективны.

Бóльшей части светового сигнала удавалось проходить сквозь графен: слоя толщиной в один атом было недостаточно, чтобы задержать фотоны.

Сегодня же исследователи направляли свет через кремниевые волноводы по направлению вдоль графенового листа, что и позволило закрепить «близкое взаимодействие» графена со световым излучением без понижения скорости взаимодействия.

Новый тип фотодетекторов от такого же количества светового излучения дает ток, до ста раз превышающий числа, полученные в 2009 году. И хотя пока это меньше, чем показатели германия, «разрыв уменьшается быстро», говорит Дирк Энглунд из MIT.

Хотя поток электронов генерируется меньший, графеновые фотодетекторы на сегодня превосходят германиевых собратьев в эффективности. Просто скорость передвижения электронов по графену куда выше, чем по германию. Так, устройства могут пропускать сквозь себя больше информации за единицу времени, чем традиционные приборы.

Фотодетекторы Энглунда могут обработать 12 гигабит информации за секунду — такие же показатели у оптоэлектронных высокоскоростных устройств. Еще важнее, что инновационные устройства, вероятно, скоро просто превзойдут эти цифры, ведь пока испытывались только экспериментальные схемы и многие не подвергались оптимизации.

А вот в университете Гонконга пошли другим путем.

Китайцы реализовали схему, которая получала инфракрасное излучение средней части этого диапазона в комнатной температуре, хотя обычно, чтобы зарегистрировать такие волны, детектор должен быть охлажден до очень низких температур.

Читайте также:  Источники питания

Такие детекторы могут быть крайне полезными в регистрации поглощений ИК-излучения молекулами. Этот прием используют в датчиках высокой чувствительности, которыми определяют наличие химических веществ, и применяют в медицинском анализе.

Пока же широко внедрить подобные находки мешает одна причина — отсутствие производства графена в достаточных количествах. Все исследователи изготавливали графеновые схемы собственными руками, хотя сейчас и разрабатываются методы его парофазного химического осаждения.

И когда технология для производства будет реализована, можно будет говорить про резкое возрастание скоростей в компьютерных шинах с падением уровня их энергетического потребления, и, конечно же, весомое снижении цены и размеров устройств, которые регистрируют загрязнения, и аппаратов для медицинского экспресс-анализа.

Источник: https://www.innoros.ru/publications/interesting/13/revolyutsiya-v-peredachi-informatsii-s-pomoshchyu-sveta

Графеновые микросхемы будущего могут стать бумажными

Исследователи из лаборатории Джонатана Клауссена Университета штата Айова, предпочитающие называть себя наноинженерами, ищут способы использования графена и его впечатляющих возможностей в создаваемых ими сенсорах и других технологиях.

Речь идет о технологии, позволяющей печатать графеновые микросхемы на бумаге при помощи струйного принтера.

Разработанный учеными метод характеризуется низкой себестоимостью, что очень важно для технологий, которые предполагается использовать для реальных девайсов.

Инженеры Университета штата Айова разработали реальную низкозатратную графеновую технологию. Фото Кристофера Гэннона (Christopher Gannon) из Университета штата Айова

Графен — удивительный материал — «медовые соты» углерода толщиной всего в один атом. Он превосходно проводит электричество и тепло, обладая также прочностью и стабильностью. Исследователи ищут возможности того, чтобы их небольшие лабораторные образцы, являющиеся плодом изучения свойств этого перспективного материала, нашли себе практическое применение.

В рамках недавнего проекта струйные принтеры использовались для печати многослойных графеновых плат и электродов. Проект позволил инженерам сделать вывод о возможности применения графена в гибкой, носимой и недорогой электронике. Можно ли сделать из графена сенсор глюкозы? Ведь для этого размер должен быть достаточно велик.

Проблема состоит в существующих технологиях. Печатный графен может повышать проводимость и производительность девайса. Но это всегда означает применение высокотемпературного и химического воздействия. И то и другое может вести к деградации гибкости и повреждению поверхности, на которую наносится печать, — пластиковой пленки или даже бумаги.

Так у ученых Супрема Даса (Suprem Das) и Джонатана Клауссена (Jonathan Claussen) появилась идея использования лазера для обработки графена. И эта идея сработала.

Ученые обнаружили, что лазерная обработка напечатанных с использованием принтера многослойных графеновых электрических микросхем и электродов с применением процесса лазерной генерации в импульсном режиме повышает проводимость электричества, не повреждая бумагу, полимеры и другие используемые для печати хрупкие поверхности.

По мнению Клауссена, это открывает путь к коммерциализации и увеличению масштабов производства графена.

Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Nanoscale. Среди направлений, в которых смогут с годами найти применение результаты данного исследования — сенсоры для биологических задач, системы накопления энергии, электропроводящие компоненты и даже электроника на основе бумаги.

Чтобы все это стало возможным, инженеры разработали контролируемую компьютером лазерную технологию и селективно облучаемый оксид графена, используемый при струйной печати.

Такая обработка устраняет потребность в связующем материале («чернилах») и позволяет преобразовать оксид графена в графен, физически связывая друг с другом миллионы крошечных графеновых «чешуек».

Этот процесс улучшает проводимость электричества более чем в тысячу раз.

Дас поясняет, что лазер позволяет обработать материал сильно насыщенными энергией фотонами, не разрушая при этом ни графен, ни поверхность, на которой осуществляется печать, поскольку воздействие лазером применяется локально.

Будучи локализованным, лазерный процесс также меняет форму и структуру печатного графена с плоской поверхности до трехмерной наноструктуры. Инженеры говорят, что 3D-структуры подобны крошечным приподнимающимся над поверхностью лепесткам. Эта неровность поверхности повышает электромеханическую реактивность графена, делая возможным его использование в химических и механических сенсорах.

В перспективе это позволит создавать не только сами сенсоры, но также и дешевые электромеханические электроды на основе графена, которые могут найти себе огромное множество применений, включая сенсоры, биосенсоры, топливные ячейки и медицинские устройства.

По материалам sciencedaily.com

Источник: https://hi-news.ru/research-development/grafenovye-mikrosxemy-budushhego-mogut-stat-bumazhnymi.html

Ученые создали самый тонкий в мире графеновый фотодетектор

Ученые из Центра физики интегрированных наноструктур (Center for Integrated Nanostructure Physics), работая вместе с учеными из Института фундаментальных наук (Institute for Basic Science, IBS), разработали структуру самого тонкого в мире фотодатчика на сегодняшний день. Этот датчик, который служит для преобразования энергии света в электрический ток, состоит из двух слоев графена, между которым зажат слой дисульфида молибдена, и он имеет толщину в 1.3 нанометра, в десять раз меньше, чем размеры самых маленьких кремниевых фотодиодов.

Воспользуйтесь нашими услугами

Благодаря малым размерам, такие датчики могут быть использованы в устройствах Интернета Вещей, в сверхминиатюрной электронике и в фотоэлектронике.

Несмотря на многие замечательные параметры, графен обладает одним недостатком, этот материал обретает полупроводниковые свойства только под воздействием ряда определенных факторов, что сужает область его применения в чистом виде в электронике. Поэтому ученые решили “разбавить” графен материалом, имеющим ярко выраженные полупроводниковые свойства. Они поместили слой дисульфида молибдена между двумя слоями графена и расположили все это на поверхности кремниевой подложки.

Изначально ученые сомневались в том, что столь тонкое устройство вообще сможет произвести какой-либо электрический ток за счет фотоэлектрического эффекта.

“Устройство, имеющее только один слой дисульфида молибдена, не может рассматриваться, как обычный p-n переход, где положительные и отрицательные заряды отделены друг от друга и создают внутреннее электрическое поле” – рассказывает Ю Ву Джонг (YU Woo Jong), ведущий исследователь, – “Однако, когда мы осветили изготовленную нами структуру, мы обнаружили фотоэлектрический ток достаточно большой силы. Это является удивительным фактом, ведь этот ток произведен не обычным p-n переходом и все это нуждается в дополнительных исследованиях”.

Проводя дополнительные исследования, ученые сравнили работу двух фотодетекторов, с одним слоем дисульфида молибдена и семью слоями.

Как и следовало ожидать, устройство с семью слоями оказалось способно поглощать большее количество света, нежели устройство с одним слоем, однако последнее имело более высокую чувствительность и скорость реакции на изменения светового потока. Более того, устройство с семью слоями поглощало свет в более широком диапазоне.

Однако дальше ученые наткнулись на своего рода парадокс – устройство с одним слоем дисульфида молибдена оказалось способным вырабатывать в семь раз больший электрический ток, нежели более толстое устройство.

Ученые объясняют обнаруженный парадокс тем, что возникновение фотоэлектрического тока в данном случае можно объяснить не с точки зрения классического электромагнетизма, а с точки зрения квантовой механики.

Для преодоления потенциального барьера между слоями дисульфида молибдена и графена, возбужденные светом электроны используют эффект квантового туннельного перехода.

И, естественно, чем больше толщина устройства, тем сложнее электронам становится совершить квантовый туннельный переход.

“Созданное нами устройство прозрачно, гибко и для его работы требуется меньшее количество энергии, чем для традиционных фотодетекторов на базе кремниевых полупроводников” – рассказывает Ю Ву Джонг, – “Если наши дальнейшие исследования пройдут успешно, то в руки людям попадет совершенно новый тип фотоэлектрического преобразователя, на базе которого можно будет делать высокочувствительные матрицы для скоростных камер, высокоэффективные солнечные батареи и многое другое”.

Источник: http://integral-russia.ru/2016/11/18/uchenye-sozdali-samyj-tonkij-v-mire-grafenovyj-fotodetektor/

Необычайные способности графена открыли учёные

Необычайные способности графена открыли учёные. Сразу три независимые исследовательские группы показали, что графен может эффективно преобразовывать свет в электрические сигналы, как это делают фотодетекторы.

При этом, по оценкам учёных, графеновые фотодетекторы будут работать куда быстрее обычных, притом с меньшими энергозатратами. Компьютеры ждёт революция?

Оптоволоконные кабели, передающие огромные объёмы данных на большие расстояния, давно считаются становым хребтом Интернета.

А вот внутри компьютеров входящая информация «передвигается» иначе — в виде электронов, пробирающихся по медным дорожкам, от одной микросхемы к другой.

Электронные схемы в смысле передачи информации куда медленнее оптических и тратят намного больше энергии, что дополнительно нагревает внутренности компьютера и замедляет его общее быстродействие (если только вы не сумели отменить электрическое сопротивление).

Устройство собирает свет при помощи кремниевого волновода (показан синим), что повышает вероятность поглощения световых волн листом графена (выделен серым). В результате на провода (жёлтые) поступает электрический сигнал. (Иллюстрация Thomas Mueller.)

В принципе, передавать биты от микросхемы к микросхеме можно и светом. Но тогда на входе и выходе из каждой схемы понадобятся крошечные фотодетекторы, способные преобразовать излучение в электроимпульсы. К сожалению, обычные фотодетекторы на германии ограничены в этом смысле слишком узким диапазоном.

И тут недостатки графена становятся его преимуществами.

Германий может зарегистрировать только те фотоны, чья энергия достаточна для преодоления энергического барьера запрещённой зоны, после «взятия» которого электрический заряд может свободно двигаться через этот полупроводник.

«А вот графен может зарегистрировать волны любой длины, потому что у него нет запрещённой зоны», — подчёркивает Томас Мюллер (Thomas Mueller), физик из Венского технологического университета (Австрия), автор одной из трёх представленных недавно разработок.

Читайте также:  Инфракрасный датчик движения (pir сенсор)

Как утверждают разработчики, графен дешевле германия и его проще интегрировать в кремниевую микросхему.

Почему лишь сейчас эта способность попала в поле зрения учёных, хотя материал появился не сегодня и не вчера? Уточним: первые фотодетекторы на графене были созданы в 2009 году, однако отличались они удивительной неэффективностью. Бóльшая часть света проходила через графен: одноатомному слою углерода просто не хватало толщины, чтобы удержать фотоны.

Ныне же три независимые исследовательские группы направляли свет по кремниевым волноводам вдоль листа графена (см. иллюстрацию), что позволило усилить «общение» графена со светом без снижения скорости такого взаимодействия.

В итоге новая версия таких фотодетекторов даёт от того же количества света ток, который в 50–100 раз превышает показатели модели 2009 года. И хотя это пока меньше, чем у германия, «разрыв сокращается очень, очень быстро», поясняет Дирк Энглунд (Dirk Englund) из Массачусетского технологического института (США), глава другой группы материаловедов.

И даже несмотря на меньший генерируемый поток электронов, графеновые фотодетекторы уже сейчас, по всей видимости, превосходят нынешние германиевые по эффективности.

Дело в том, что скорость движения электронов в графене значительно выше, чем в германии, и это позволяет таким устройствам пропускать через себя куда больше информации в единицу времени, нежели у традиционных приборов. Так, фотодетекторы группы г-на Энглунда способны обрабатывать 12 гигабит информации в секунду — а это показатели высокоскоростных оптоэлектронных устройств.

Что ещё важнее, новые устройства, похоже, вскоре превзойдут эту цифру, поскольку пока испытывались фактически экспериментальные схемы, и многие оптимизационные возможности учёные просто ещё не успели использовать.

Любопытно и то, что третья группа во главе с Цзяньбинь Сюем (Jian-Bin Xu), представляющая Китайский университет Гонконга (КНР), двигалась слегка другим путём, создав схему, которая улавливает инфракрасное излучение в средней части ИК-диапазона при комнатной температуре, в то время как обычно для регистрации волн такой длины детектор надо охлаждать жидким азотом до сверхнизких температур. Подобные детекторы могут оказаться очень полезными для регистрации поглощения инфракрасного излучения отдельными молекулами. Эта техника, напомним, применяется в высокочувствительных датчиках, определяющих наличие в окружающей среде тех или иных химических веществ, а также для медицинского экспресс-анализа.

В схеме Массачусетского технологического института электроды расположены слегка асимметрично, что облегчает покидание электронами графена под действием падающих на устройство световых волн.

Ну а пока на пути широкого внедрения таких устройств есть только один барьер — отсутствие массового производства графена машинным способом. Все три группы изготавливали графен для своих схем вручную, хотя работы по его производству методом химического парофазного осаждения уже ведутся.

Источник: http://Svit24.net/technology/67-technology/87485-neobchajne-sposobnosty-grafena-otkrly-uchne

Фотосенсор из Графена с невероятной чуствительностью

Исследовательская гриппа научных сотрудников во главе с Ван Цицзе (Wang Qijie) из Наньянского технологического университета города Сингапур, обнародовала всеобщему обозрению свою новую разработку на основе, нового перспективного материалов графена – фотодетектор.

Он по всем параметрам превосходи тнынешние CMOP- и PZS-сенсоры, примернов 1000 раз более чувствителенк свету, чем созданные ранее экспериментальные графеновые фотодетекторы, потребляетв 10 раз меньше энергиии в 5 раз дешевле при условии массового производства, чем современные КМОП-матрицы, Но до промышленного производства подобных фотосенсоров ищет достаточно далеко.

Графен — углеродная плёнка толщиной в один атом. Один квадратный метр материала весит всего 0,77 миллиграмма.

Материал отличается тем, что имеет запрещённую зону энергии равную нулю, благодаря этому способен поглощать фотоны любой энергии.

Более того, графенпри поглощении одиночного фотона преобразует его сразу в несколько электронов . Эти качества материала и позволяет сделать на его основе фотодетектор высокой чувствительности.

Новый графеновый фотосенсорс в 1000 раз чувствительнее к свету, чем дешёвые сенсоры из современных компактных камер (мыльниц), сообщается в пресс-релизе на сайте университета.

А от на сколько они лучше чем дорогие профессиональные фотосенсори? Как всегда умалчивается, но боюсь предложить что цифра преимущиства будет значительно меньше. Более того, графеновый сенсор потребляет на порядок меньше энергии, поскольку требует меньшего электрического напряжения.

В конце концов, сенсоры нового типа будут примернов пять раз дешевле современных CMOP-матриц. Для их производства не придётся кардинально менять техпроцесс, потомучто они изначально создавались для изготовленияна нынешних конвейерах по штамповке CMOP-матриц.

Потребуется только небольшая модернизация техпроцесса в связи с заменой основного материала в светочувствительном слое. А от маркетинг как всегда сиграет свою плохую роль в ценообразовании на новые графеновые фотосенсоры, и покрайнимери на первых порах, цена будет в несколько раз больше.

Процесс изготовления устройства: (a) одиночныйслой графенамеханически наслаиваетсяна 285-нанометровуюподложку SiO2/Si; (b) из графенового фотодетектора делают полевой транзистор: добавляют исток и сток из Ti/Au (20 нм/80нм), сделанных методом фотолитографии, на обратной стороне подложки изготавливают затвор; (с) на поверхность графена наносится нанометровый «жертвенный» слой титана методом электронно-лучевого испарения; (d) «жертвенный» слой титана удаляется с помощью влажного травления, после чегона подложке из кремния может быть сформирована решётка с квантовыми точками различного размера, в зависимости от толщины слоя титана.

Графеновая нано решётка регистрирует фотоны для всего спектра видимого света, а также для инфракрасного излучения ближнего и среднего диапазонов. Таким образом, новые сенсоры пригодны не только для обычных цифровых камер, но также для видеокамер наружного наблюдения , инфракрасных камер, дорожных камер, спутниковой фото съёмки и т.д.

Увеличение светочувствительности в тысячу раз позволит полностью отказаться от использования фото вспышек. Даже лунного света должно быть достаточно для получения качественного насыщенного изображения.

Возможно, сенсор сможет регистрировать свечение тел, излучение которых раньше вообще не регистрировалось приборами.

Но все это лишь догадки и проявы нашей бурной фантазии, а на практике сенсор попросту окажется немного лучше чем предшественники, нам же остаётся лишь ожидать первых коммерческих образцов чтоб проверить графе новый фотосенсор в деле, а именно съёмке фото и видео.

Источник: https://ainotech.com/fotosensor-iz-grafena-s-neveroyatnoy-chustvitelnostyu/

Бумажные графеновые микросхемы. Применение графена

Ученые-исследователи из айовского Университета им. Джонатана Клауссена (США), которые предпочитают говорить о себе, что они наноинженеры, проводят опыты для изыскания возможностей использовать графен, благодаря его уникальным свойствам, в создаваемых лабораторией сенсорных и прочих технологиях.

Так разрабатывается технология, которая позволить создавать из графена печатные микросхемы, нанося их струйным принтером на бумагу.

Метод, разрабатываемый исследователями, имеет невысокую себестоимость, что чрезвычайно важно в различных технологических процессах, ведь таким образом удешевляются и сами реальные, рабочие девайсы, в которых будут находиться подобные микросхемы.

Что такое графен

Графен является удивительным и уникальным материалом, похожим на соты из меда, состоящим из углерода, имеющим толщину всего лишь одного атома. Графен – идеальный проводник и электричества и тепла, имеет высокую стабильность, прочность.

На сегодняшний день ученые-физики и химики изыскивают возможность, чтобы лабораторный образец нашел применение на практике, пока же идет изучение свойств материала, являющимся чрезвычайно перспективным для применения во многих отраслях радиоэлектронного производства.

Будущее применение графена

Данный проект, разрабатываемый в лабораториях Университета, показал, что при помощи струйных принтеров, можно распечатывать многослойные печатные платы и электроды. В результате опытов был сделан вывод, что графен возможно применять, когда необходимо создавать гибкую, недорогую, носимую электронику.

Но вот можно ли сделать графеновый сенсор, ведь он должен иметь достаточно большие размеры. На данный момент существует лишь одна проблема – в технологиях, существующих сегодня. Графен для печати повысит производительность, а также проводимость гаджета, но для этого необходимо применить высокотемпературное, химическое воздействие.

А данные процессы приведут к ухудшению гибкости, повреждениям поверхностей, на которые будут наносить печать (пластиковая пленка, бумага).

Исходя из данных вводных, ученые пришли к выводу, что обрабатывать графен лучше лазером, печатая многослойные графеновые микросхемы, электроды, так как такая обработка на лазерном принтере (лазерная генерация, имеющая импульсный режим) позволит повысить электропроводимость, при этом не повредив бумагу, полимерные и прочие хрупкие материалы, применяемые для печати. Исследователи считают, что данный метод откроет дорогу к коммерческому производству графена и девайсов с его использованием.

Результаты опытов опубликовал журнал «Nanoscale».

Данное исследование можно будет в дальнейшем применять для производства сенсоров, систем накопления электроэнергии, электропроводящих компонентов, и, конечно же, электроники, состоящей и из бумаги, дешевых электромеханических графеновых электродов, конечно же, столь недорогие компоненты очень нужны в медицине, самолетостроении, в космической сфере.

Как это работает

Локальный процесс обработки графена для печати лазером изменяют структурную характеристику, а также форму химического элемента: он от плоской формы переходит в трехмерную наноструктуру, при этом графеновая решетка в 3-D структуре похожа на поднимающиеся лепестки. Подобная неровность способна повысить электромеханические свойства графена, что в свою очередь расширит область его применения.

Источник: https://radio-detaly.com/grafenovye-mikrosxemy

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector