Ученые предложили простую, дешевую и легко масштабируемую технологию производства кремниевых фотодетекторов, чувствительных к поляризации света. Обычный кремний не «чувствует», поляризован ли свет, но благодаря наноразмерным решеткам, напечатанным на поверхности с помощью лазера, материал получил необходимую восприимчивость. Чувствительные к поляризации кремниевые фотодетекторы могут использоваться в медицинских приборах для визуализации живых тканей, а также для шифрования информации с помощью световых импульсов.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Surfaces and Interfaces.
Кремний лежит в основе всей современной электроники, в том числе оптоэлектронных устройств — приборов, передающих, обрабатывающих и хранящих информацию с помощью света. Однако этот материал не способен различать, поляризован ли свет. Поляризация — это характеристика, которая отражает, как векторы (направления распространения) электрического и магнитного полей световой волны ориентированы в пространстве. Для примера, свет обычной лампы накаливания не поляризован, поскольку в этом случае векторы полей направлены во все стороны, но, если пропустить его через особую линзу — поляризатор, — от света «отсечется» часть разнонаправленных векторов. Эффект поляризации в фотографии позволяет избежать солнечных бликов, кроме того, он используется в устройствах для визуализации живых тканей, астрономических наблюдений и даже кодирования сигналов и шифрования с помощью света.
Для создания таких устройств на основе кремния нужно, чтобы материал стал чувствительным к поляризации, то есть смог «отличать» поляризованный свет от неполяризованного. Для этого с ограниченным успехом используют либо дорогие полупроводниковые материалы, либо дорогие методы литографии — избирательного создания на поверхности кремния чувствительных областей с помощью фотошаблонов.
Ученые из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток) разработали простую и масштабируемую технологию для создания кремниевых устройств нового поколения, чувствительных к поляризованному свету.
Исследователи использовали в качестве заготовок для фотодетекторов коммерчески доступные кремниевые пластины. На их поверхности авторы лазером «напечатали» оптически неоднородные наноразмерные решетки, которые по-разному взаимодействовали со светом, а потому сделали материал чувствительным к поляризации.
Физики протестировали полученные фотодетекторы, направляя на них свет разных длин волн (500–1600 нанометров, то есть зеленый, желтый, оранжевый, красный и инфракрасный), а также поляризации (поляризованный или нет). Эксперимент показал, что кремниевые фотодетекторы различают поляризацию света в широком диапазоне длин волн — от 700 до 1100 нанометров, что соответствует красному и инфракрасному диапазонам. При этом эффективность улавливания ими падающего света составила 100%. Благодаря таким характеристикам фотодетекторы можно будет использовать в медицине для исследования живых тканей и препаратов, а также в составе более сложных высокоточных оптоэлектронных устройств.
Авторы подчеркивают, что такая технология может использоваться для обработки материалов с большой площадью и не требует дорогостоящего оборудования и токсичных химикатов, что упрощает ее внедрение в производство.
Предложенную технологию можно использовать при создании высококонтрастных фотодетекторов для работы с медицинскими и биологическими препаратами и тканями. Также с помощью подхода можно адаптировать обычный кремниевый фотодетектор для работы в оптоволоконных линиях связи, которые обеспечивают интернет-соединение. Поскольку в основе разработки лежит кремниевая технология — хорошо известная и одна из самых «зрелых», — это значительно удешевит ее внедрение в практику и масштабирование. Наконец, разработанные фотодетекторы можно использовать в линиях передачи зашифрованной информации, поскольку поляризация света может служить дополнительным способом шифрования.
Юлия Бородаенко, первый автор работы, младший научный сотрудник лаборатории синхротронных методов изучения свойств новых функциональных наноматериалов оптоэлектроники, нанофотоники и тераностики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН
Рисунок 1. Слева — обычный кремниевый фотодетектор (ФД-К-155); справа — разработанный авторами фотодетектор с напечатанной нанорешеткой, позволяющей чувствовать поляризацию падающего на него света. Источник: Александр Шевлягин.
