Новые материалы для фотоэлектроники на основе двумерных наноструктур

Abstract

В последние несколько десятилетий основная часть практически важных разработок в области приёмников инфракрасного излучения фокусировалась на улучшения архитектуры фотоприёмных устройств и поиске новых подходов к обработке сигналов, в части же химии чувствительных материалов наибольшее внимание уделялось оптимизации уже известных составов и соединений. Работы по улучшению фотоприемников во многом ограничиваются физическими свойствами, накладываемыми уже используемыми широко известными чувствительными материалами. Поиск и развитие новых фоточувствительных материалов открывает ранее неиспользованное пространство для развития фотосенсорики. Однако, с точки зрения промышленного внедрения переход на новую компонентную базу и смена чувствительных материалов является наиболее затратным этапом улучшения технологии производства, так как требует значительных средств на смену оборудования и времени на отладку технологии, следовательно, целесообразность таких изменений должна быть вызвана значимыми преимуществами новых материалов. В настоящее время наибольшее внимание исследователей привлечено изучению возможностей наноструктурирования материалов и использованию 0D, 1D и 2D наноматериалов в качестве новых фотосенсорных материалов [1]. Значительные результаты в последние несколько лет достигнуты в исследовании 2D наноструктурированных материалов, таких как графен, однослойные дихалькогениды переходных металлов и фосфорен (материал на основе черного фосфора включающий несколько атомных слоев) [2]. Наиболее изученными из двумерных материалов являются графен и однослойные дихалькогениды переходных металлов, однако значительные успехи уже достигнуты и для материалов на основе других двумерных наноструктур, в частности, черного фосфора, благодаря высокой подвижности носителей заряда и широким возможностям управления шириной запрещенной зоны, а также анизотропии свойств [3,4]. Однако кроме графена, дихалькогенидов переходных металлов и черного фосфора на сегодняшний день известно уже несколько сотен двумерных материалов, в том числе их комбинации в виде Ван дер Ваальсовых гетеростурктур, также перспективных для создания фотодетекторов [5-8]. Согласно расчётам и уже опубликованным в литературе практическим результатам двумерные фоточувствительные материалы открывают возможности создания неохлаждаемых фотоприёмных устройств на средний и дальний ИК диапазон, а также устройств с перестраиваемой спектральной чувствительностью [9-10]. Рассмотренное в докладе многообразие материалов и широкие возможности их комбинирования в гетероструктурах ставят вопрос выстраивания методологии отбора материалов, в том числе с использованием квантово-химических методов расчёта с целью обоснования подхода для создания фоточувствительных элементов для нового поколения фотоприёмных устройств.