Как кремний «научился» чувствовать поляризацию света

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. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

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.

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»,— рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, 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.

Использованы материалы статьи.
Подготовлено при поддержке Российского научного фонда