Разработана технология, усиливающая оптические сигналы для фотодетектеров в 100 тысяч раз

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), ИАПУ ДВО РАН и Университета ИТМО совместно с коллегами из университетов Гонконга разработали технологию, которая может сделать инфракрасные сенсоры и оптические чипы более компактными и чувствительными. Речь идет о новом методе лазерной печати метаповерхностей — микроскопических структур, способных управлять светом и усиливать его сигнал.

Метаповерхность — это ультратонкий слой, состоящий из упорядоченных наноструктур. Они в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Несмотря на свою миниатюрность, такой слой может выполнять работу обычных линз или дифракционных решеток: фокусировать, преломлять или усиливать свет. Раньше создание таких структур требовало сложной и дорогой литографии — многоэтапного процесса, похожего на производство микросхем.

Авторы исследования предложили более простой и дешевый подход. Они использовали фемтосекундный лазер — прибор, который отправляет сверхкороткие импульсы света. Лазер не сжигает и не испаряет материал, а аккуратно деформирует тонкую золотую пленку, создавая на ней массив микроскопических «бугорков». При правильном расположении эти бугорки работают как готовая метаповерхность, способная улавливать и усиливать инфракрасное излучение.

«Создание лазерного метода печати метаповерхностей, поддерживающих связанные состояния в континууме, является важным шагом на пути внедрения таких устройств в различные технологические области, включая ИК-сенсорику и оптоэлектронику», — пояснил один из авторов технологии, доцент Базовой кафедры фотоники и цифровых лазерных технологий Политехнического института ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Кучмижак.

Секрет эффективности новой разработки — в физическом эффекте, который ученые называют «связанные состояния в континууме». Простыми словами: свет попадает в ловушку на поверхности наноструктуры и многократно отражается внутри нее, концентрируясь в одной точке. Это позволяет усилить слабые оптические сигналы в сотни тысяч раз.

В эксперименте золотая метаповерхность усилила нелинейный сигнал примерно в 100 тысяч раз по сравнению с гладкой золотой пленкой. А варьируя размер «бугорков» и расстояние между ними, ученые могут настраивать устройство на разные длины волн — от 1,3 до 8 микрометров, что охватывает широкий инфракрасный диапазон.

Чтобы доказать эффективность предложенной технологии, исследователи напечатали метаповерхность прямо на электродах полевого транзистора — одного из основных элементов современной электроники. В качестве активного слоя они использовали квантовые точки теллурида ртути — полупроводниковые наночастицы. Получившийся гибридный фотодетектор показал значительно более высокий фототок по сравнению с аналогичным устройством без наноструктур.

По словам ученых, разработка открывает путь к созданию новых компактных и чувствительных инфракрасных сенсоров, оптических чипов и детекторов излучения. Такие устройства могут найти применение в медицине для диагностики, в системах безопасности, в промышленности и в научных исследованиях. Технология позволяет создавать фотодетекторы прямо на существующих элементах электроники, что упрощает их интеграцию в реальные устройства.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации