Коллектив ученых из России, Германии и Венесуэлы под руководством профессора кафедры лазерной и световой техники Томского политехнического университета Р. Родригеса обнаружил причину того, почему один из самых перспективных материалов для оптоэлектроники – 2D-селенид галлия – нестабилен, и как этого можно избежать. Работа опубликована в сентябрьском номере журнала Semiconductor Science and Technology.

Селенид галлия GaSe давно известен как полупроводниковый материал и широко применяется в электротехнике в фотодиодах, фоторезисторах, датчиках поляризованного света. Он относится к так называемым слоистым полупроводникам. Внутри слоев кристалла GaSe атомы имеют обычные ковалентные связи, значительно более сильные, чем ван-дер-ваальсовские связи между слоями. Взаимодействие между слоями можно изменять путем введения между ними посторонних атомов. Но прежде всего слоистые полупроводники представляли интерес, потому что поведение электронов в слоях является квази-двумерным. А двумерные полупроводниковые пленки теоретически могли совершить революцию в оптоэлектронике, так как при наноразмерах и хорошей управляемости могли стать основой для нового поколения электронных устройств, включая персональные компьютеры, оптоволоконную связь, хранилища баз данных и т.д.

Из теоретической в практическую плоскость исследования двумерных (2D) материалов перешли в середине нулевых годов нашего столетия, когда Константин Новоселов и Андрей Гейм впервые успешно отделили от различных слоистых кристаллов слои атомарной толщины. Сами Новоселов и Гейм сконцентрировались на исследовании монослоев углерода (графена), который, как тогда казалось, приведет к революции в самых разных областях техники, в том числе электронике (появятся графеновые сенсорные экраны, электронная бумага, углеродные (органические) диоды и т.п.). Они стали лауреатами Нобелевской премии по физике 2010 года, а Новоселов еще и сэром Константином.

Но и графен, и другие двумерные наноматериалы, полученные из слоистых кристаллов вели себя непредсказуемо. Например, тот же графен никак не удается применить в полупроводниковой технике, подвижность носителей заряда в нем оказалась слишком мала. Проблемы возникли и с двумерными нанослоями селенида галлия. «Некоторые зарубежные научные коллективы пытались создать электронные устройства на основе селенида галлия. Однако, несмотря на широкие теоретические исследования этого материала, которые публиковались в крупных научных изданиях, состояние этого материала в реальных устройствах оставалась неясной», – рассказывает профессор Р. Родригес.

Родригесу и его коллегам удалось выяснить, почему это происходит. Исследование 2D-селенид галлия методами спектроскопии комбинационного рассеяния света и XPS показало наличие химических связей между галлием и кислородом. Проще говоря, на воздухе он буквально сразу же окислялся и терял электрическую проводимость, необходимую для создания наноэлектронных устройств, а через 5 часов и вовсе разлагался, превращаясь в аморфную массу.

Теперь ясно, как этого избежать. По словам профессора Родригеса, для того, чтобы селенид галлия не потерял свои уникальные свойства, он должен избегать контакта с воздухом. Нанополупровоники из него надо делать в вакууме или в инертной среде, покрывать защитным слоем, ограничивающим проникновение воздуха., помещать их в капсулированные устройства. При таких технологиях 2D GaSe может использоваться в новейших оптоэлектронике детекторах, источниках света, солнечных батареях. При сверхмалых размерах такие устройства будут обладать очень высокой квантовой эффективностью – способностью создавать большие потоки электронов при малом внешнем воздействии.

Сергей Петухов