Aalto universiteto mokslininkai sukūrė rekordinio išorinio kvantinio efektyvumo fotodetektorių — ruože nuo vidutinių UV iki artimųjų IR sugeriantį 96 procentus spinduliavimo.
Savo parametrais šis įrenginys lenkia egzistuojančius detektorius, veikiančius daug siauresniame dažnių diapazone (pavyzdžiui, tik UV). Mokslininkai pažymi, kad dėl struktūruoto paviršiaus detektorius veikia netgi šviesai krentant dideliu kampu – iki 70 laipsnių. Viena iš jo pritaikymo sričių galėtų tapti akies tinklainės protezavimas. Tyrimas publikuotas žurnale „Nature Photonics“, trumpai apie jį pranešama universiteto pranešime spaudai.
Paprastas fotodetektoriaus pavyzdys – fotoaparato matricos pikseliai. Detektoriai dažniausiai būna puslaidininkiniai prietaisai, į kuriuos krentantys fotonai sukuria krūvininkus. Taip atsiranda elektros srovė. Viena iš svarbiausių fotodetektorių charakteristikų – kvantinis efektyvumas. Tai yra į prietaisą krentančių fotonų skaičiaus santykis su krūvininkų, kuriuos sukuria tie fotonai, skaičiumi. Kuo šis rodiklis aukštesnis, tuo jautresnis detektorius arba matricos taškas.
Vidinis ir išorinis efektyvumas skiriasi: pirmuoju atveju atsižvelgiama tik į prietaiso sugertus fotonus, antruoju – į visus fotonus, kurie pateko į prietaisą. Vidinis efektyvumas mažėja dėl krūvininkų rekombinacijos: sugertas fotonas sukuria elektroną ir skylutę, kurie vienas kitą gali panaikinti.
Išorinį efektyvumą lemia atspindžiai nuo detektoriaus paviršiaus – kai kurie fotonai, užuot buvę sugerti, tiesiog atsispindi. Siekiant sumažinti atspindžius, naudojami sudėtingos paviršiaus nanostruktūros – pavyzdžiui, padegtas nanoadatomis „juodasis silicis“. Tačiau dėl didelio santykinio paviršiaus ploto kartu sustiprėja puslaidininkio krūvininkų rekombinacija. Be to, rekombinacija vyksta ir dėl puslaidininkio defektų (pavyzdžiui, priemaišų atomų), be kurių neįmanoma sukurti p-n sandūrų.
Naujojo darbo autoriai sugalvojo, kaip šį balansą pagerinti. Tradiciškai fotodetektoriuose naudojamos p-n sandūros sudėtyje fizikai pakeitė p-puslaidininkį aliuminio oksidu, kuris smarkiai sumažina rekombinacijos spartą. Kaip n-puslaidininkis buvo naudojamas silicis.
Mokslininkai joniniu ėsdinimu silicio paviršiuje suformavo nanoadatų masyvą ir padengė jas aliuminio oksidu. Gautas juodojo silicio ir aliuminio oksido „sumuštinis“, prie kurio abiejų pusių buvo prijungti kontaktai. Nanoadatos veikė kaip kaip atspindį mažinantis sluoksnis, dėl kurio fotonai fotodetektoriuje daug kartų atsispindi ir būna ten sugeriami.
Atliekant bandymus, paaiškėjo, kad detektorius yra beveik idealus fotodiodas 250–950 nanometrų ilgio bangų diapazone. Išorinis įtaiso kvantinis efektyvumas pasiekė 96 procentus. Autoriai palygino juo su komerciškai naudojamais diodais, veikiančiais siauruose bangų ilgio diapazonuose.
Paaiškėjo, kad, išskyrus nedidelį apie 400 nm bangos ilgio ruožą, įrenginys konkurentus aplenkė. Fotodetektoriaus efektyvumas likdavo ir tada, kai spindulių kritimo kampas nuo vertikalės nukrypdavo netgi 70 laipsnių.
Pasak tyrėjų, panašūs fotodetektoriai gali būti naudojami scintiliacinėje technikoje, aptinkančioje rentgeno spindulius. Kitu neįprastu tokių jautrių įtaisų panaudojimo būdu gali tapti tinklainės protezai, kurie, be regimosios šviesos, dar būtų jautrūs ultravioletiniam ir infraraudonajam spinduliavimui.
Akies tinklainės protezai – šviesai jautrus įtaisas, tiesiogiai prijungtas prie regimojo nervo. Jie gali pakeisti tinklainę, tačiau kol kas esamo technikos išsivystymo lygio nepakanka, kad tai būtų galima atlikti. Pagrindinė jų problema – maža skiriamoji geba.
Esamais prototipais įmanoma tik išskirti žmonių siluetus. Praėjusiais metais inžinieriai iš Stanfordo universiteto aprašė ir išbandė didelės skiriamosios gebos tinklainės protezą su žiurkėmis. Protezu atkuriamo regos aštrumo žmogui pakaktų perskaityti viršutinę regos tikrinimo lentelės eilutę.
