Команда создает светодиоды, фотоэлектрические элементы и детекторы света из нового материала толщиной в одну молекулу.
Дэвид Л. Чендлер, MIT News
Группа исследователей из Массачусетского технологического института использовала новый материал толщиной всего в несколько атомов для создания устройств, способных поглощать или излучать свет. По их словам, это экспериментальное решение может привести к созданию ультратонких, легких и гибких фотоэлектрических элементов, светодиодов (LED) и других оптоэлектронных устройств.
Их доклад — одна из трёх статей, опубликованных в выпуске журнала Nature Nanotechnology от 9 марта, в которых разные группы учёных описывают схожие результаты, полученные при работе с этим материалом. Исследование в Массачусетском технологическом институте провели Пабло Харильо-Эрреро, доцент кафедры физики, аспирант Бриттон Богер, аспирант Яфан Ян и постдокторант Хью Черчилль.
Материал, который они использовали, — диселенид вольфрама (WSe2) — относится к классу материалов толщиной в одну молекулу, которые исследуются на предмет возможного применения в новых оптоэлектронных устройствах, способных управлять взаимодействием света и электричества. В ходе экспериментов исследователи из Массачусетского технологического института смогли использовать этот материал для создания диодов — основного элемента современной электроники.
Как правило, диоды (которые пропускают электроны только в одном направлении) изготавливают методом «легирования», то есть внедрения других атомов в кристаллическую структуру основного материала. Используя разные материалы для этого необратимого процесса, можно получить один из двух основных типов полупроводниковых материалов: p-типа или n-типа.
Но с новым материалом можно получить как p-тип, так и n-тип проводимости, просто поднеся исчезающе тонкую пленку к соседнему металлическому электроду и изменив напряжение на этом электроде с положительного на отрицательное. Это означает, что материал можно легко и мгновенно перевести из одного состояния в другое, что редко удается сделать с обычными полупроводниками.
В ходе экспериментов команда Массачусетского технологического института создала устройство с пластиной из материала WSe2, легированной наполовину n-типом, наполовину p-типом, что позволило получить работающий диод со свойствами, «очень близкими к идеальным», по словам Харильо-Эрреро.
Изготавливая диоды, можно производить все три основных оптоэлектронных устройства: фотодетекторы, фотоэлектрические элементы и светодиоды. По словам Харильо-Эрреро, команда Массачусетского технологического института продемонстрировала все три устройства. Хотя это экспериментальные устройства, не предназначенные для масштабирования, их успешная демонстрация может открыть путь к широкому спектру потенциальных применений.
«Известно, как изготавливать материалы такого типа с очень большой площадью», — говорит Черчилль. По его словам, хотя потребуются дополнительные исследования, «нет никаких причин, по которым это нельзя было бы сделать в промышленных масштабах».
В принципе, по словам Харильо-Эрреро, поскольку этот материал можно модифицировать для получения различных значений ключевого свойства, называемого шириной запрещённой зоны, можно создавать светодиоды любого цвета, что сложно сделать с помощью обычных материалов. А поскольку материал такой тонкий, прозрачный и лёгкий, устройства вроде солнечных батарей или дисплеев потенциально можно встраивать в окна зданий или автомобилей или даже в одежду, говорит он.
Хотя селен не так распространен, как кремний или другие перспективные материалы для электроники, тонкость этих листов является большим преимуществом, отмечает Черчилль: «Они в тысячи или десятки тысяч раз тоньше», чем обычные материалы для диодов, «поэтому для изготовления устройств заданного размера потребуется в тысячи раз меньше материала».
По словам Харильо-Эрреро, помимо диодов, команда использовала те же методы для создания транзисторов p-типа и n-типа, а также других электронных компонентов. По его словам, такие транзисторы могут значительно превосходить аналоги по скорости и энергопотреблению, поскольку они очень тонкие.
Кирилл Болотин, доцент кафедры физики и электротехники в Университете Вандербильта, говорит: «Область двумерных материалов все еще находится в зачаточном состоянии, поэтому любые потенциальные устройства с четко определенными сферами применения очень востребованы. Пожалуй, самое удивительное в этом исследовании то, что все эти устройства эффективны. ... Возможно, устройства такого рода изменят наше представление о сферах применения, где требуются небольшие оптоэлектронные элементы».
Исследование проводилось при поддержке Управления военно-морских исследований США, стипендии Паккарда и стипендии Паппалардо, а также с использованием оборудования, предоставленного Национальным научным фондом.