Чувствительность инфракрасных датчиков увеличена в 100 тысяч раз

Международная научная группа российских исследователей и коллег из Гонконга разработала технологию, которая может сделать инфракрасные датчики и оптические чипы гораздо более компактными и чувствительными. Внедрена лазерная печать метаповерхностей - микроскопических структур, способных управлять светом и усиливать его сигнал, сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.

Метаповерхность, как напомнили в пресс-службе, представляет собой сверхтонкий слой, состоящий из упорядоченных наноструктур. Они в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Несмотря на свои миниатюрные размеры, такой слой может выполнять работу обычных линз или дифракционных решеток: фокусируя, преломляя или усиливая свет. Раньше для создания таких структур требовалась сложная и дорогая литография — многоэтапный процесс, аналогичный производству чипов.

«Создание лазерного метода печати метаповерхностей, поддерживающих связанные состояния в континууме, является важным шагом на пути внедрения подобных устройств в различные технологические области, в том числе в инфракрасные датчики и оптоэлектронику», — отметил член авторского коллектива, доцент кафедры фотоники и цифровых лазерных технологий Политехнического института Дальневосточного федерального университета и Института автоматизированного управления Дальневосточного отделения РАН Александр Кучмижак.

Новая технология использует фемтосекундный лазер — устройство, которое посылает сверхкороткие импульсы света. Лазер не сжигает и не испаряет материал, а мягко деформирует тонкую золотую пленку, создавая на ней массив микроскопических бугорков. При правильном расположении эти выступы действуют как готовая метаповерхность, способная улавливать и усиливать инфракрасное излучение.

Секрет эффективности развития – в физическом эффекте, который ученые называют «связанными состояниями в континууме». Свет улавливается на поверхности наноструктуры и многократно отражается внутри нее, концентрируясь в одной точке. Это позволяет усиливать слабые оптические сигналы в сотни тысяч раз.

В эксперименте золотая метаповерхность усиливала нелинейный сигнал примерно в 100 тысяч раз по сравнению с гладкой золотой пленкой. А варьируя размер бугорков и расстояние между ними, ученые могут настроить прибор на разные длины волн — от 1,3 до 8 микрометров, что перекрывает самый широкий инфракрасный диапазон.

Чтобы доказать эффективность технологии, исследователи напечатали метаповерхность непосредственно на электродах полевого транзистора, одного из основных элементов современной электроники. В качестве активного слоя они использовали квантовые точки теллурида ртути — полупроводниковые наночастицы. Полученный гибридный фотодетектор показал значительно больший фототок по сравнению с аналогичным устройством без наноструктур. При охлаждении до минус 73 градусов прибор достиг рекордной чувствительности. Это лучший показатель среди аналогичных устройств с квантовыми точками.

Разработка, по мнению ее авторов, открывает путь к созданию новых компактных и чувствительных инфракрасных датчиков, оптических чипов и детекторов излучения. Такие устройства могут найти применение в медицине для диагностики, в системах безопасности, в промышленности и научных исследованиях. Технология позволяет создавать фотоприемники непосредственно на существующих электронных элементах, что упрощает их интеграцию в реальные устройства.

Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.