Новые материалы могут быть использованы для создания эффективных инфракрасных фотодетекторов, а также солнечных батарей

Ученые из Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий (Сколтех) смоделировали электрооптические свойства двух однослойных материалов: черного фосфора и дисульфида молибдена, сообщила в пятницу пресс-служба Сколтеха. Новые материалы могут быть использованы для создания эффективных инфракрасных фотодетекторов, а также солнечных батарей.

«В наших теоретических работах мы из первых принципов рассчитали свойства двух двумерных материалов, – приводит пресс-служба слова профессора Сколтеха и руководителя исследований Василия Перебейноса. – Обычно такие предсказания очень хорошо сходятся с реальностью и не требуют дополнительных экспериментальных проверок, и поэтому наши результаты дают инженерам, можно сказать, фундамент на котором уже можно проектировать реальные приборы».

Зачем нужны двумерные материалы

Двумерные материалы последнее время привлекают внимание у ученых по всему миру. Они обладают интересными физическими свойствами, делающими их перспективными для электроники и оптоэлектроники, а также чаще бывают дешевле обычных трехмерных проводников и полупроводников. Существует огромное многообразие различных двумерных материалов, но на сегодня хорошо исследованы только единицы из них. Сегодня самый изученный двумерный материал – это графен, представляющий собой плоские листы углерода.

Графен обладает уникальными механическими и тепловыми свойствами, однако не является полупроводником, что сильно осложняет его возможности использования в электронике.

«Графен – это полуметалл, – рассказал Перебейнос. – Нечто среднее между проводником и диэлектриком и поэтому он плохо подходит для многих задач электроники и микроэлектроники. Например, в логических схемах компьютеров нам нужны переключающиеся элементы, через которые ток то идет, то не идет, а с металлами и полуметаллами такое невозможно – через них ток идет». Поэтому сейчас ученые ищут новые двумерные материалы с полупроводниковыми свойствами.

Результаты с черным фосфором

В первой работе ученые исследовали плоский материал черный фосфор. Они рассчитали, как подвижность электронов и некоторые другие электрические характеристики идеально чистого черного фосфора будут меняться с нагреванием, неизбежным при работе полупроводника. Этот материал может найти применение в качестве чувствительных инфракрасных фотодетекторов.

Результаты с дисульфидом молибдена

Во второй работе изучали двумерный материал дисульфид молибдена MoS2. Облучение фотонами света провоцирует появление в этом материале экситонов – частиц, представляющих собой связанные пары электронов и дырок, которые при определенных условиях можно разделить и тем самым получить электрический ток. Именно так и работают современные солнечные батареи, однако в дисульфиде молибдена энергия связи экситона настолько сильна, что для получения электрического тока ученым и инженерам приходится прибегать к небольшим ухищрениям – наносить пленки MoS2 на различные подложки, влияющими на стабильность экситона.

Российские физики рассчитали, как энергия связи экситонов зависит от диэлектрической проницаемости среды (диэлектрической проницаемости подложки), а также влияние внешнего электрического поля.

«Наши результаты показывают, что электрические поля необходимые для разделения электронов и дырок существенно зависят от диэлектрической среды, в которую помещен материал, – рассказал Перебейнос. – Это открывает путь к получению электро-оптического отклика в MoS2, который можно использовать для получения солнечной энергии и фотодетекции».

Оба исследования российских физиков опубликованы в журнале Physical Review B.