Световое изучение: новые фотодиоды улучшат работу томографов и систем досмотра

Российские ученые получили фотодиоды из перовскита, которые на порядок более чувствительны к свету, чем классические кремниевые элементы. Благодаря этим свойствам их можно применять для создания более эффективных диагностических устройств на основе рентгеновского излучения, а также видеокамер, досмотровых и других систем, которые основаны на улавливании света. Специалистам удалось улучшить свойства материала за счет добавления в него нового полимера. По словам экспертов, технология позволит проводить более глубокое сканирования багажа и обнаруживать в нем самые малые объекты, а если добавить перовскит в краску и нанести ее на стены умного дома, то его можно превратить в один огромный датчик.

Фоточувствительные элементы из перовскита

Специалисты НИТУ МИСИС и Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН разработали перовскитные фотодиоды на тонких пленках с увеличенной скоростью срабатывания и диапазоном обнаружения света. Их можно применять для медицинского оборудования, телекоммуникационных средств, систем безопасности и других устройств, для которых важно улавливать световое излучение. Использование нового материала позволит практически в 10 раз увеличить чувствительность этих аппаратов по сравнению с классическими кремниевыми аналогами. Кроме того, элементы из кремния не производят в России, а выпускать перовскиты можно в нашей стране, рассказали ученые.

— Мы развиваем технологию микропиксельных фотодиодов на печатных принципах. В новом исследовании показан важный результат: подтверждена эффективная работа фотодиодов для конверсии рентгеновских лучей, это крайне важно для детекторов медицинской томографии высокого разрешения или систем безопасности. Точная инженерия интерфейсов в наших устройствах позволила в разы увеличить чувствительность приборов, подавить шумы, — рассказал «Известиям» заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Данила Саранин.

Перовскитные фотодиоды можно печатать на самых разных типах подложек, включая гибкие пластики, что делает их перспективными для фоточувствительных элементов камер и систем визуализации нового поколения. Однако при производстве перовскитов разработчики столкнулись с некоторыми сложностями. На границе раздела между зернами перовскита образовывались дефекты, снижающие эффективность устройств, приводящие к утечкам тока и замедлению времени отклика. Чтобы улучшить характеристики материала, исследователи модифицировали его специальным полимером. Этот материал обладает диэлектрическими и другими важными свойствами, которые позволяют ему влиять на электрическое поле в структуре фотодиода.

— Интеграция небольшого количества полимерного диэлектрика в структуру перовскитных фотодиодов позволила улучшить чувствительность устройств, расширить линейный динамический диапазон и увеличить их быстродействие, — сказал аспирант НИТУ МИСИС Андрей Морозов.

Кроме того, полимерный слой стабилизировал характеристики перовскитных фотодиодов в неблагоприятных условиях. Это важно для его использования в устройствах, подвергающихся воздействию изменяющихся условий окружающей среды, а также для продления срока их службы.

Досмотровые системы и стены-датчики

Как пояснил «Известиям» Евгений Александров, директор Центра компетенций НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ имени Баумана, пока перовскитные материалы весьма недолговечны. Их легко изготавливать и наносить растворным способом. Кремниевые аналоги менее чувствительны в улавливании света, но именно из-за более высокой стабильности преобладают в фотонике. Поэтому ученые пытаются найти способы стабилизации перовскитов различными агентами, которые препятствуют образованию дефектов и деградации поверхности материала.

— Технология перспективна для создания простых в изготовлении гибких электронных устройств. Можно также представить умный дом со стенами и крышей, окрашиваемыми перовскитами: каждый квадратный миллиметр такой краски представляет собой датчик погоды или движения, — сказал эксперт.

В части рентгена, досмотровых комплексов и видеокамер уже есть работающие системы, поэтому необходимость в перовскитах невелика. Этот материал менее интересен в бытовом применении, но больше подходит для специальных целей, где требуется более высокая чувствительность и скорость отклика, например, в тепловизорах и камерах слежения за быстро перемещающимися объектами в сфере транспорта или спортивных технологиях, добавил специалист.

Предложенная технология перспективна, так как фотодиоды на перовскитах гораздо проще в производстве, а повышение их чувствительности и расширение диапазона воспринимаемых длин волн увеличивает области их применения, считает эксперт Центра компетенций НТИ «Фотоника» Роман Пономарев.

— Лучше всего такие устройства подходят для новых типов систем безопасности, позволяющих проводить сканирование без помещения объекта в отдельное устройство, как это делается сейчас, когда рюкзак в метро исследуют с помощью рентгеновского аппарата. Модификация досмотровых комплексов с помощью разработанных новых материалов позволит повысить их разрешение, то есть видеть более мелкие детали, а также увеличить список распознаваемых веществ и объектов, — сказал он.

Созданные в университете фотодиоды на основе перовскитов демонстрируют высокую эффективность благодаря своей способности фиксировать очень слабые световые сигналы в широком спектральном диапазоне, отметила ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

По мнению ведущего научного сотрудника физического факультета Университета ИТМО Дмитрия Геца, предложенная технология перспективна, поскольку позволяет создавать эффективные оптоэлектронные устройства более простыми методами без потери качества. При этом свойства получаемых структур можно еще и улучшить при помощи введения различных химических добавок, поскольку используется метод растворной химии.