Новости

8 февраля, 2021 17:39

Созданы высокочувствительные детекторы фотонов для квантовых компьютеров и других приложений

При помощи лазерной обработки российские ученые вместе с европейскими коллегами изготовили высокочувствительные детекторы фотонов. В основе технологии лежит управление свойствами углеродных нанотрубок. Новые детекторы помогут в разработке квантовых компьютеров, камер с высоким разрешением, более эффективных интегральных микросхем и других устройств. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ), а статья о ее результатах опубликована в журнале Advanced Electronic Materials.
Руководитель проекта Иван Бобринецкий. Фото из личного архива
Трехмерная модель гетероперехода в нанотрубке, сформированного фемтосекундным лазером. Источник: Иван Бобринецкий/МИЭТ
3 / 4
Руководитель проекта Иван Бобринецкий. Фото из личного архива
Трехмерная модель гетероперехода в нанотрубке, сформированного фемтосекундным лазером. Источник: Иван Бобринецкий/МИЭТ

Одностенные углеродные нанотрубки состоят из свернутых в цилиндры листов графена, который построен из шестигранных углеродных «сот». Электроны в структуре нанотрубки двигаются необычно. Эти отрицательно заряженные частицы «прыгают» с одного места на другое, а там, откуда они уходят, остаются положительно заряженные «дырки». Поскольку электрический ток — направленное движение электронов, проводимость таких материалов можно регулировать. Это позволяет создавать на основе углеродных нанотрубок высокочувствительные сенсоры, транзисторы, наноантенны, светодиоды и другие устройства. К ним относятся и фотодетекторы, преобразующие оптический сигнал в электрический.

«Фотодетекторы — это широкий класс приборов, которые используются в разных сферах: от простых видеокамер фиксации нарушений на дорогах и до систем обработки информации в оптических интегральных схемах. Если эти элементы сделать миниатюрнее, то больше поместится в матрицы фото- и видеокамер, что улучшит их разрешение. Также на основе уменьшенных фотодетекторов можно проводить исследования химических и биологических процессов, сопровождающихся спонтанным оптическим излучением, и разрабатывать новые вычислительные устройства на основе квантовых компьютеров», — пояснил руководитель проекта по гранту РНФ Иван Бобринецкий, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Национального исследовательского университета «МИЭТ».

Часто ученые добавляют к конструкции нанотрубки дополнительные молекулы или покрытия, чтобы настроить характеристики материала «под заказ». Но при использовании традиционных методов (метод вытягивания, электрофорез, метод контактной и переносной печати и другие) в графеновый лист попадают примеси и образуются дефекты, ухудшающие свойства материала. Из-за этого поверхность графенового листа может потерять свои изгибы, а углеродные «соты» — форму, поэтому движение электронов в них будет не таким упорядоченным. Чтобы решить эту проблему, физики предложили модифицировать структуру одностенных углеродных нанотрубок, используя нелинейные эффекты в излучении фемтосекундного лазера (1 фемтосекунда – одна миллионная одной миллиардной секунды).

Ученым удалось создать одномерную гетероструктуру, соединив в одиночной нанотрубке две части с разными электрическими характеристиками. У одной части проводимость почти как у металла, другая имеет свойства полупроводника: ее проводимость зависит от оптического излучения. На стыке этих частей образуется аналог p-n-перехода: электроны стремятся от «металлической» части, где их больше, в другую половину, где преобладают «дырки». Проводимость полученной конструкции изменяется под действием света. На этом и основана работа фотодетектора: уловив оптическое излучение (свет), нанотрубка превратит его в электрическое.

Обработка фемтосекундным лазером оказалась быстрым, простым и эффективным методом, меняющим проводимость нанотрубки и ее реакцию на свет. Фотодетектор, разработанный учеными, способен засечь одиночный импульс длительностью 300 фемтосекунд и мощностью всего лишь 0,2 мВт/см2. Это соответствует мощностям оптических волоконных систем, которые применяются в телекоммуникации.

«Фотодетектор на основе одной нанотрубки обеспечивает высокую чувствительность к видимому оптическому излучению в сочетании с высоким быстродействием, — рассказал Иван Бобринецкий. — Данная технология нанофотоники открывает новые возможности использования оптических методов при создании элементов наноразмерных оптоэлектронных устройств. Более того, предложенная оптическая технология формирования детекторов позволяет управлять свойствами в процессе создания, подстраивая функциональные характеристики под заданные параметры, чего лишен традиционный подход к производству современных интегральных микросхем».

Кроме МИЭТ, работы по проекту проводились в Сколковском институте науки и технологий, Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН, Московском физико-техническом институте, Московском государственном педагогическом университете, Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова, Центре применения лазеров AIMEN (Испания), Университете Аальто (Финляндия) и Нови-Садском университете (Сербия).

26 марта, 2021
Найден способ облегчить предсказание поведения физической модели
Сотрудники Института проблем машиноведения РАН создали новую теорию, позволяющую предсказывать повед...
23 марта, 2021
Ученые расширят перечень пригодных для 3D-печати материалов
Ученые Томского государственного университета и ИФПМ СО РАН предложили новый способ 3D-принтинга, ко...