Российские учёные создали прозрачные электроды на основе соединения германия и кальция. Они помогут усовершенствовать оптоволоконные линии связи и позволят создавать умные окна с функцией антизапотевания и антиобледенения.
Учёные из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (Владивосток) впервые разработали прозрачные электроды на основе дигерманида кальция — соединения, состоящего из чередующихся двумерных слоёв атомов кальция и германия. Авторы вырастили тонкие (толщиной в десятки тысяч раз меньше миллиметра) плёнки этого материала. Для этого они осаждали в вакуумной камере кальций и германий на подложку из оксида алюминия и проводили их температурную обработку при 750−850 °C.
Исследования показали, что оптические приборы с хорошо пропускающими свет электродами эффективнее тех, в которых электроды непрозрачные. Но учёным пока не удалось создать универсальные прозрачные электроды. Обычно они обладают высокой прозрачностью только в определённом диапазоне, например, в видимой или ближней инфракрасной области спектра, либо недостаточно хорошо проводят ток, что также сказывается на их эффективности.
Чтобы улучшить характеристики электродов, дальневосточные физики сделали с помощью лазера в плёнке небольшие квадратные отверстия так, чтобы на поверхности материала появился «клетчатый» узор. Такая перфорация позволила повысить прозрачность электрода до 90 %, особенно в видимой области спектра. В результате электрод стал прозрачным уже в более широком диапазоне длин световых волн: от 400 до 7000 нанометров. При этом обработка не оказала существенного влияния на электрические характеристики электрода. Новый материал пропускает до 78 % излучения, преимущественно в инфракрасном диапазоне от 1000 до 4000 нанометров.
«Чрезмерная перфорация приводит к увеличению электрического сопротивления плёнки — второй важной характеристики любого прозрачного проводящего электрода. Чем выше сопротивление, тем больше потери при пропускании тока через электрод. В этом отношении необходим баланс между оптическим пропусканием и электропроводностью», — объясняет руководитель проекта Александр Кучмижак, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Авторы протестировали работу новых электродов, включив их в конструкцию германиевого фотодетектора — устройства, улавливающего свет и преобразующего его в электрический сигнал. Чувствительность такого прибора на электродах из дигерманида кальция на 85 % превышает коммерческие аналоги. Датчик оказался способен улавливать более широкий диапазон длин световых волн: 800–2200 нанометров по сравнению с 800–1900 у других подобных устройств.
«Самое очевидное и прямое применение полученных результатов — это развитие приборной базы телекоммуникационных технологий. Исследованные нами фотодетекторы и электроды чувствительнее аналогов, а также улавливают более широкий диапазон длин волн. Поэтому они помогут усовершенствовать линии оптической связи, например, передачу интернет-трафика по оптоволокну», — рассказывает Александр Шевлягин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптики и электрофизики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Также, по словам авторов проекта, их разработку можно будет использовать для умных покрытий и делать, например, окна с функцией антизапотевания и антиобледенения, которые помогут повысить энергоэффективность зданий.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Electronic Materials.
