За последние двадцать лет металлоорганические каркасы (MOF) стали желанной системой материалов. До сих пор эти высокопористые вещества, до 90 процентов которых состоят из пустого пространства, в основном использовались для хранения газов, для катализа или для медленного высвобождения лекарств в организме человека. «Металлоорганический каркасный состав, разработанный в Техническом университете в Дрездене, состоит из органического материала, интегрированного с ионами железа», – объясняет д-р.
Артур Эрбе, руководитель группы «Транспорт в наноструктурах» Института физики ионных пучков и материаловедения HZDR. "Особенность в том, что каркас образует наложенные друг на друга слои с полупроводниковыми свойствами, что делает его потенциально интересным для оптоэлектронных приложений."
У группы возникла идея использовать новый полупроводниковый двумерный MOF в качестве фотоприемника. Чтобы продолжить это, Химани Арора исследовал электронные свойства полупроводника.
Среди прочего она исследовала, в какой степени светочувствительность зависит от температуры и длины волны, и пришла к многообещающему выводу: от 400 до 1575 нанометров полупроводник может обнаруживать свет в широком диапазоне длин волн. Таким образом, спектр излучения изменяется от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. «Это первый раз, когда мы доказали такое широкополосное фотодетектирование для фотоприемника, полностью основанного на слоях MOF», – отмечает докторант. «Это идеальные свойства для использования материала в качестве активного элемента в оптоэлектронных компонентах."
Небольшая запрещенная зона повышает эффективность
Спектр длин волн, которые полупроводниковый материал может покрывать и преобразовывать в электрические сигналы, существенно зависит от так называемой ширины запрещенной зоны. Эксперты используют этот термин для описания энергетического расстояния между валентной зоной и зоной проводимости твердотельного материала. В типичных полупроводниках валентная зона полностью заполнена, поэтому электроны не могут двигаться. Зона проводимости, с другой стороны, в значительной степени пуста, поэтому электроны могут свободно перемещаться и влиять на ток.
В то время как ширина запрещенной зоны в изоляторах настолько велика, что электроны не могут перескочить из зоны валанса в зону проводимости, в металлических проводниках таких зазоров нет. Ширина запрещенной зоны полупроводника достаточно велика, чтобы поднять электроны на более высокий энергетический уровень зоны проводимости с помощью световых волн. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем меньше энергии требуется для возбуждения электрона. «Поскольку ширина запрещенной зоны в исследуемом нами материале очень мала, для возбуждения электричества требуется очень мало световой энергии», – объясняет Химани Арора. "Это причина большого диапазона обнаруживаемого спектра."
Охлаждая детектор до более низких температур, можно еще больше улучшить характеристики, поскольку тепловое возбуждение электронов подавляется. Другие улучшения включают оптимизацию конфигурации компонентов, создание более надежных контактов и дальнейшую разработку материала. Результаты говорят о том, что у фотоприемников на основе MOF будет светлое будущее.
Благодаря своим электронным свойствам и дешевизне изготовления, слои MOF являются многообещающими кандидатами для множества оптоэлектронных приложений.
«Следующим шагом будет масштабирование толщины слоя», – говорит Артур Эрбе с нетерпением. "В исследовании 1.Для изготовления фотоприемника использовались пленки MOF толщиной 7 микрометров. Чтобы интегрировать их в компоненты, они должны быть значительно тоньше.«По возможности, цель – уменьшить наложенные слои до 70 нанометров, то есть в 25 раз меньше их размера.
До этой толщины слоя материал должен обладать сопоставимыми свойствами. Если группа сможет доказать, что функциональность этих значительно более тонких слоев не изменилась, они смогут приступить к их разработке до стадии производства.