Американские физики из Университета Райса сконструировали наноантенну, преобразующую излучение ближнего ИК-диапазона в фототок.

Подготовленные американцами образцы представляют собой массивы золотых резонаторов, которые находятся в 250 нанометрах друг от друга. Ширина и высота резонаторов равны 50 и 30 нм, а их длина варьируется от 110 до 158 нм. Разные значения длины, поясняет руководитель исследования Наоми Галас (Naomi Halas), соответствуют разным рабочим частотам, то есть тем длинам волн падающего света, которые регистрируются устройством.

Золотые элементы размещены на слое кремния, и в областях контакта разнородных материалов создаётся потенциальный барьер Шоттки. Весь массив заключён в изолирующий слой диоксида кремния, а за электрические контакты отвечает слой оксида индия-олова.

Рис. 1. Золотые резонаторы на кремниевой подложке. Синим показан диоксид кремния, а фиолетовым — оксид индия-олова. (Иллюстрация Science / AAAS).

Падающее на металлические резонаторы излучение возбуждает поверхностные плазмоны — коллективные колебания свободных электронов вблизи поверхности проводника. При распаде плазмона выделяется энергия, которая уносится в виде электромагнитного излучения или передаётся электрону. Полученные «горячие» электроны преодолевают барьер Шоттки и создают фототок, что делает испытанное авторами устройство похожим на фотодиод.

Поскольку требования к энергии фотонов, рождающих фототок, здесь определяются не запрещённой зоной полупроводника, а высотой барьера Шоттки, наноантенна может регистрировать излучение того диапазона, в котором обычные кремниевые солнечные батареи не работают. Эффективность устройства, впрочем, невелика и составляет лишь около 1%.

«Для собирания солнечной энергии этого, конечно, недостаточно, — комментирует не принимавший участия в исследовании сотрудник Университета Восточной Англии Дэвид Эндрюс (David Andrews). — Но с ролью детектора ИК-излучения новая разработка должна справиться».

Результаты исследований опубликованы в статье:

Mark W. Knight, Heidar Sobhani, Peter Nordlander and Naomi J. Halas Photodetection with Active Optical Antennas. – Science. – 6 May 2011: Vol. 332 no. 6030 pp. 702–704; DOI: 10.1126/science.1203056.