Наноантенна преобразует свет в заряд
Учеными из США предложено новое устройство, фокусирующее свет перед преобразованием его в электрический заряд. Объединение нано-оптической антенны и фотодиода, первое устройство подобного типа, потенциально может быть использовано в самых различных приложениях, к примеру, для фоточувствительных датчиков, инструментов накопления энергии и систем отображения.
Традиционные антенны, широко используемые для передачи и приема радио и телевизионных сигналов, могут быть трансформированы и для оптических частот, если размеры устройства приближаются к нанометровому масштабу. Принцип действия подобных оптических наноантенн основан на плазмонной модели, согласно которой усиливается спаренность между светом, эмитированным соседними молекулами и антенной.
Ученые из Rice University (США) взяли за основу преимущества этой плазмонной модели, чтобы создать первую оптическую наноантенну, также функционирующую как фотодиод – разновидность фотодетектора, способного преобразовывать свет, как в электрический заряд, так и в напряжение. Свое устройство команда создала при помощи выращивания массива стержне-подобных золотых наноантенн прямо на поверхности кремниевой подложки. Таким образом, был реализован барьер металл-полупроводник на границе антенны и полупроводникового основания (так называемый диод Шоттки).
Когда свет падает на подобную антенну, он вызывает осцилляции электронов, известные как поверхностные плазмоны (названные так за счет распространения вблизи поверхности металла). Эти энергетические (или «горячие») электроны переходят в полупроводник через барьер Шоттки, создавая детектируемый фототок без необходимости прикладывать внешнее напряжение. Подробные результаты работы ученых были приведены в журнале Science.
Резонаторы, реализованные учеными на практике, имеют толщину и ширину, соответственно, 30 и 50 нм; их высота варьируется в пределах 110 – 158 нм. Каждый массив подобных резонаторов содержит 300 отдельных устройств (массив представляет собой подборку из одинаковых антенн 15 на 20), расположенных на расстоянии 250 нм друг от друга. На эксперименте вся эта система была покрыта непроводящим диоксидом кремния и подсоединена к остальной части экспериментальной установки при помощи электродов, выполненных из ITO (оксида иридия с примесью олова).
Главное преимущество разработанного устройства состоит в том, что генерируемый фототок более не требует от фотонов энергии, превышающей уровень запрещенной зоны полупроводника (правда, энергия должна быть больше барьера Шоттки, которая, однако, ниже уровня запрещенной зоны обычно используемых в подобных случаях полупроводников). Этот результат важен, т.к. дает новые инструменты для детектирования инфракрасных фотонов при помощи коммерчески-эффективных и устойчивых полупроводниковых материалов, таких как кремний.
Т.к. длина волны плазмонного резонанса в устройстве близка к около-инфракрасной области электромагнитного спектра, при меньших по размеру антеннах (которые будут соответствовать более коротким резонансным длинам волн) число возможных применений устройства расшириться. Туда войдет возможность создания солнечных ячеек на базе кремния, работающих с инфракрасным излучением также хорошо, как и с видимой частью спектра. Это же означает, что технология может использоваться для создания дешевых детекторов инфракрасного излучения на базе кремния, которые заменят более дорогие аналоги, работающие в том же частотном диапазоне, из арсенида галлия иридия.
