Прозрачные электроды помогут ускорить Интернет и пригодятся для «умных» окон
Процесс изготовления и тестирования прозрачных электродов из слоев дигерманида кальция. (а) Перфорация пленки методом фемтосекундной лазерной печати. (b) Клетчатый «узор» на пленке. (с) Изменение спектра оптического пропускания пленки после лазерной перфорации. (d) Схематичное изображение германиевого фотодетектора. (e) Влияние лазерной перфорации на фоточувствительность фотодетекторов
© Vladimir Il’yaschenko et al. / ACS Applied Electronic Materials, 2024.
Ученые разработали прозрачный электрод — элемент, проводящий электрический ток, — на основе соединения германия и кальция, который повысил светочувствительность экспериментального фотодетектора на 85%. Такие электроды можно будет использовать в волоконно-оптических линиях передачи информации для более быстрого интернета, а также при создании покрытий для «умных» окон, которые смогут противостоять обледенению и запотеванию благодаря способности эффективно нагреваться при приложении небольшого электрического напряжения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Electronic Materials.
Оптоэлектронные устройства — приборы, преобразующие свет в электрический ток или наоборот, — все чаще используются в технике, информационных технологиях и медицине. Так, например, по оптоволокну можно с высокой скоростью передавать данные на большие расстояния, оптоэлектронные микросхемы позволяют сделать работу компьютеров быстрее и надежнее, а солнечные батареи получают все большее распространение с каждым годом. Для работы любых подобных устройств необходимы электроды — элементы, проводящие сгенерированный под действием света электрический ток. Исследования показали, что оптические приборы, в которых электроды хорошо пропускают через себя свет, эффективнее тех, в которых электроды непрозрачны. Однако ученым пока не удалось создать универсальные прозрачные электроды: обычно такие материалы обладают высокой прозрачностью только в каком-то определенном диапазоне, например в видимой или ближней инфракрасной области спектра, либо недостаточно хорошо проводят ток, что также отрицательно сказывается на их эффективности.
Ученые из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) впервые разработали электроды на основе дигерманида кальция — соединения, состоящего из чередующихся двумерных слоев атомов кальция и германия. Авторы вырастили тонкие (толщиной в десятки тысяч раз меньше миллиметра) пленки этого материала, осаждая в вакуумной камере кальций и германий на подложку из оксида алюминия и проводя их температурную обработку при 750−850°C.
Исследователи оценили прозрачность полученных образцов, пропуская через них свет разных длин волн. Оказалось, что материал пропускает до 78% излучения, но преимущественно в инфракрасном диапазоне от 1000 до 4000 нанометров. Чтобы улучшить характеристики электродов, физики решили сделать с помощью лазера в пленке небольшие квадратные отверстия, так, чтобы на поверхности материала появился «клетчатый» узор. Такая лазерная обработка (перфорация) позволила повысить прозрачность электрода до 90%, особенно в видимой области спектра. В результате электрод стал прозрачным уже в более широком диапазоне длин световых волн: от 400 до 7000 нанометров, при этом обработка не оказала существенного влияния на его электрические характеристики.
«Лазерная обработка приводит к образованию полностью прозрачных микроотверстий, и, чем больше их плотность, тем выше общая прозрачность области с узором. В то же время чрезмерная перфорация обычно приводит к увеличению электрического сопротивления пленки — второй важной характеристики любого прозрачного проводящего электрода. Чем выше сопротивление, тем больше потери при пропускании тока через электрод. В этом отношении необходим баланс между оптическим пропусканием и электропроводностью», — объясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Кучмижак, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Затем авторы протестировали работу новых электродов, включив их в конструкцию германиевого фотодетектора — устройства, улавливающего свет и преобразующего его в электрический сигнал. Эксперимент показал, что чувствительность такого прибора на электродах из дигерманида кальция на 85% превышает коммерческие аналоги. Кроме того, датчик оказался способен улавливать более широкий диапазон длин световых волн: 800–2200 нанометров по сравнению с 800–1900 у других подобных устройств.
«Самое очевидное и прямое применение полученных результатов — это развитие приборной базы телекоммуникационных технологий. Исследованные нами фотодетекторы и электроды чувствительнее аналогов, а также улавливают более широкий диапазон длин волн. Поэтому они помогут усовершенствовать линии оптической связи, например передачу интернет-трафика по оптоволокну», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Шевлягин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптики и электрофизики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
По словам авторов, разработку также можно будет использовать при создании так называемых умных покрытий, которые, оставаясь оптически прозрачными, способны проводить электрический ток. Такие покрытия позволят создавать «умные» окна с функцией антизапотевания и антиобледенения, которые помогут существенно повысить энергоэффективность зданий.