Что сделали ученые

Сотрудники Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники (PeroLab) ИТМО продемонстрировали уникальную геометрическую структуру, включающую в себя пленку углеродных нанотрубок (электроды), полиэтиленфталат (полимерная гибкая подложка) и микрокристаллы перовскитов (фоточувствительный элемент), — ее можно применять в гибкой электронике.

Ученые показали, что предложенный ими прототип фотодетектора сохраняет рабочие характеристики как в обычном, так и в изогнутом состоянии. В частности, начальные характеристики устройства значительно не изменились даже после механического стресс-теста — 10 000 циклов упругих деформаций (изгибов).

Обычно в оптоэлектронных устройствах на основе перовскитов используют электроды из металла: золота или серебра. Но из-за взаимодействия с ними ионов перовскитов устройство во время эксплуатации постепенно портится. Поэтому ученые использовали электроды из пленок углеродных нанотрубок толщиной в 20 нанометров.

Автором исследования стал аспирант Нового физтеха ИТМО Александр Марунченко.

«Я окончил магистратуру Сколтеха, где работал в Лаборатории наноматериалов Альберта Насибулина (соавтор статьи — прим. ред.). Там на самом, пожалуй, высоком в России уровне занимаются синтезом одностенных углеродных нанотрубок. Придя в аспирантуру в ИТМО, я начал исследовать новый материал — кристаллы галогенидных перовскитов. Так я получил доступ к перовскитам, но при этом уже знал, как работать с пленками углеродных нанотрубок. В итоге мне удалось соединить эти два направления, объединив в одном устройстве свойства каждого материала в отдельности», — рассказывает он.

Как собирали устройство

Рабочий элемент предложенного учеными устройства ― кристаллы перовскита, лежащие между двумя электродами из углеродных нанотрубок. Если электроды находятся далеко друг от друга, то пока заряды, генерированные в фотодетекторе, долетят до электродов, они могут рассеяться, и сигнал с них не будет собран. Исследователи стремятся избежать этих потерь.

Поэтому они разрезают с микронной точностью пленку углеродных нанотрубок на две полоски. Для этого используют фемтосекундный лазер: такой метод позволяет придать импульсу фотонов достаточно энергии, чтобы разрезать материал электродов, но в то же время средней мощности недостаточно, чтобы повредить полимерную подложку. Канал между полосками электродов заполняют проводящим материалом — перовскитом. Синтез кристаллов проводят напрямую на пленке из раствора при низких температурах.

«Мы оптимизировали синтез перовскитов так, чтобы в чувствительном элементе нашего фотодетектора была высокая заполняемость кристаллами. Это позволяет снимать большой фотоиндуцированный сигнал», — объясняет Александр Марунченко.

Гибкая электроника — класс электронных устройств с одной характерной чертой: их можно сворачивать и сгибать без вреда эксплуатационным свойствам. На эти свойства влияют характеристики материалов, из которых сделаны как рабочий элемент, так и подложка, на которой собрано устройство. В качестве подложки ученые использовали полиэтиленфталат, однако такую геометрию можно реализовать и на других гибких основах.

Как всё работает

В темновом состоянии ток внутри фотодетектора определяется материалом, а в присутствии света — носителями заряда, генерируемыми в перовските. То есть фотоны, падая на чувствительный элемент, преобразуются в электрон-дырки, которые собираются на электродах из углеродных нанотрубок.

«Предложенная нами геометрия достаточно простая, дешевая и эффективная. На ее основе можно исследовать и другие материалы, не ограничиваясь перовскитом. Важно, что этот простой прототип поможет в дальнейшем создавать и совершенствовать более сложные, многофункциональные оптоэлектронные приборы», — рассказывает Александр Марунченко.

В чем особенность разработки

Уникальность разработки в том, что ученые впервые использовали пленки углеродных нанотрубок в качестве электродов для фотодетекторов из перовскита. Это решает главную проблема таких устройств — повышает их стабильность. К тому же простая геометрия прототипа, недорогой материал электродов и низкотемпературный синтез перовскита обуславливают дешевый технологический процесс сборки.

При этом, по подсчетам ученых, фотодетектор на основе перовскитов и углеродных нанотрубок оказался в тысячу раз чувствительнее нынешних коммерческих кремниевых аналогов. Это достигается за счет того, что электроды в устройстве располагаются очень близко друг к другу.

В процессе работы исследователям также пришлось оптимизировать множество процессов и понять, как объединить в одной конструкции два материала, когда никто до этого подобного не делал. Продемонстрированная геометрия достаточно универсальна — ее можно применить для сборки многих элементов электроники. На примере фотодетектора ученые показали, что предложенная ими структура обладает таким набором параметров, что позволяет найти ей практическое применение.

«Спрос на гибкую электронику растет в контексте носимых устройств. Они будут интегрированы, например, в одежду и при этом иметь малый вес, компактность, низкое энергопотребление, автономность, а также возможность для обмена данными с мобильным телефоном. Это крайне важно для мониторинга здоровья человека, когда в реальном времени идет сбор информации о его пульсе, содержании кислорода, сахара и других веществ в крови. Ключевым параметром для таких применений является не только гибкость, но и чувствительность, которую можно достичь, используя передовые материалы и архитектуры. Наша разработка отвечает всем этим требованиям, и теперь мы готовы приступить к масштабированию прототипа и его тестированию в условиях максимально приближенным к эксплуатационным», — отметил заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров.

Подробнее об исследовании: Alexandr A. Marunchenko, Mikhail A. Baranov, Elena V. Ushakova, Daniil R. Ryabov, Anatoly P. Pushkarev, Dmitry S. Gets, Albert G. Nasibulin, Sergey V. Makarov, Single-Walled Carbon Nanotube Thin Film for Flexible and Highly Responsive Perovskite Photodetector (Advanced Functional Materials, 2021).