Группа исследователей под руководством Виктора Рыжего, заведующего лабораторией МФТИ, открыла новые перспективы для создания высокочувствительных сенсоров, способных улавливать инфракрасное и терагерцовое излучение. Это достижение базируется на уникальных свойствах графена, а также на инновационном использовании черного фосфора и мышьяка, что открывает дорогу к более эффективным электронным и оптическим устройствам будущего.
Графен: материал с уникальной структурой
Графен – это одноатомный слой углерода, атомы которого соединены в гексагональную решетку, напоминающую соты пчел. За открытие и исследование графена международное научное сообщество отметило Константина Новоселова и Андрея Гейма присуждением Нобелевской премии в 2010 году. На сегодняшний день графен считается одним из самых перспективных материалов XXI века благодаря невероятной прочности, гибкости и отличной электропроводности.
Несмотря на свои выдающиеся характеристики, графен обладает особенностями, которые ограничивают его применение в электронных приборах. Главная из них – отсутствие запрещённой зоны (энергетического разрыва), из-за чего он проявляет себя скорее как металл, а не как полупроводник. Это затрудняет его использование в фотонных устройствах, солнечных батареях и прочей электронной аппаратуре.
Решение проблемы: инновационный гетероструктурный «бутерброд»
Исследование, проведённое в МФТИ, определило новый способ использования графена для создания фоточувствительных элементов, обладающих значительным потенциалом. Ученые предложили уникальное многослойное решение — сочетание графена с черным фосфором и мышьяком. Оба дополнительных материала представляют собой тончайшие кристаллические пластины, схожие по структуре с графитом, которые усиливают свойства исходной графеновой пленки.
Этот «сэндвич» — комбинация из графена, слоев черного фосфора и мышьяка — оказался способен улавливать электромагнитное излучение в широчайшем диапазоне частот, включая дальний инфракрасный свет и терагерцовые волны. Ключевую роль играет регулировка толщины внешних слоев: изменение этих параметров позволяет точно настраивать диапазон поглощения, что чрезвычайно важно для работы датчиков в различных условиях.
Преимущества новых детекторов на гетероструктурах
Основное достоинство созданных в МФТИ детекторов состоит в чрезвычайно низком уровне шумов и высокой селективности. По словам Виктора Рыжего, рабочие параметры подобных сенсоров можно менять прикладывая небольшое внешнее напряжение — без ухудшения чувствительности устройства. Это дает возможность гибко подстраивать приборы под актуальные задачи — от астрономических исследований до промышленной диагностики и медицины.
Еще одно серьезное преимущество предложенной технологии — устойчивость к повышенным температурам. В отличие от существующих датчиков, разработанные образцы способны сохранять высокую четкость сигнала, даже когда температура окружающей среды значительно возрастает. Это свойство особенно ценно для эксплуатации в экстремальных условиях космических и промышленных объектов, где требования к надежности необычайно высоки.
Влияние и перспективы: вклад МФТИ и российской науки
Идея создания композитных структур на основе графена, черного фосфора и мышьяка гармонично сочетается с мировыми тенденциями развития наноматериалов. Работа Виктора Рыжего и его научной команды подчеркивает важную роль МФТИ в глобальном прогрессе смежных научных дисциплин. Благодаря усилиям российских ученых фундаментальные свойства неординарных материалов трансформируются в реальные технологии для оптики и электроники нового поколения.
В будущем широкое внедрение подобных сенсоров может обеспечить качественный скачок в развитии инфракрасной астрономии, спектроскопии, медицины и безопасности. Более совершенные и доступные сенсоры позволят получать более точную информацию о далеких планетах, анализировать состав атмосферы, а также тестировать материалы с беспрецедентной точностью.
Будущее сенсорики — оптимистичный взгляд
Применение новых гетероструктурных материалов, созданных с использованием передовых методик работы с графеном, черным фосфором и мышьяком, открывает перед инженерами и учеными массу новых возможностей. Гибкость, надежность и эффективность — ключевые слова, которые характеризуют новое поколение датчиков. Сотрудники МФТИ во главе с Виктором Рыжим уверены: продолжающееся исследование свойств этих материалов приведет к настоящим технологическим прорывам, способным улучшить качество жизни и расширить границы человеческого познания.
Источник: scientificrussia.ru
