В ИТМО создали оптическую платформу, которая переключает светодиоды за десять наносекунд

Светодиоды используются в разных приборах — например, дисплеях смартфонов, оптических сенсорах и датчиках, лазерах и системах оптоволоконной связи. Но светодиоды на основе классических полупроводников переключаются между состояниями «включен-выключен» за счет электричества. Этот процесс занимает несколько миллисекунд, и этой скорости недостаточно для того, чтобы проводить оптические исследования и разрабатывать сверхбыстрые оптические устройства.

Ускорить переключение можно с помощью более перспективных материалов с фазовым переходом. Это уникальная способность заключается в быстром, обратимом и стабильном переходе материала между двумя состояниями: аморфным (не проводит ток) и кристаллическим (проводит ток).

К таким материалам относятся халькогениды — соединения элементов 16-ой группы периодической таблицы (таких как сера, селен или теллур) с металлами. За счет фазового перехода оптоэлектронные свойства халькогенида можно изменить за наносекунды, то есть при изменении фазы материал поменяет коэффициент преломления и начнет проводить ток. Но халькогенидные соединения трудно встроить в архитектуру светодиода — в кристаллической структуре халькогенидов много дефектов, через которые «утекает» излучение светодиода, и из-за этого он становится более тусклым.

Еще одна сложность — создание схем дорожек внутри светодиода, по которым протекает ток. Именно схемы определяют, каким узором и в каком месте загорится светодиод. Сейчас под каждую новую схему создают шаблон с помощью литографии и травления — дорогих и времязатратных способов. Они не позволяют изменить рисунок после производства и создавать устройства с неповторимыми узорами свечения для отдельных задач.

Ученым Нового физтеха ИТМО вместе с исследователями лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники» Национального исследовательского университета «МИЭТ» и Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН удалось встроить халькогенидный сплав с фазовым переходом в структуру светодиода и сконструировать полностью оптически переключаемую платформу для светодиодов.

Платформа позволяет светодиоду менять состояния «включен-выключен» за десять наносекунд — это в 100 тысяч раз быстрее существующих решений на основе электричества. В основе платформы — халькогенидный сплав германия, сурьмы и теллура, который отвечает за фазовый переход и переключение между состояниями «включен-выключен», люминесцирующий перовскит из бромида свинца цезия и электроды. Работает устройство так. Если посветить на платформу лазером, халькогенидный сплав перейдет в кристаллическую фазу, и светодиод загорится. Если посветить еще раз и переключить материал в аморфную фазу, светодиод не загорится даже при поданном напряжении. Таким образом на светодиод постоянно подается напряжение, а включения и выключения происходят за счет лазерных импульсов — это на порядки быстрее электрических сигналов.

«На сегодняшний день для включения-выключения светодиода используется классическая электронная схема, в которой есть “ключ”. Он подает или убирает напряжение со светодиода, что приводит к включению и выключению свечения. Такая схема очень медленная, и вызывает постоянные перегрузки в схеме из-за постоянного изменения напряжения в электрической цепи. Наш подход позволяет добиться ультрабыстрого изменения состояния светодиода при постоянном напряжении в системе, что приводит к увеличению скорости срабатывания, а также повышает стабильность и срок службы устройства. Переключаться можно очень быстро — за 10 наносекунд», — объяснила первый автор исследования, инженер Нового физтеха ИТМО Ольга Кущенко.

Новая платформа также упростит производство устройств — теперь для создания схем токопроводящих дорожек достаточно одного лазера, а весь процесс напоминает раскрашивание рисунка.

«Мы нашли компромиссную толщину халькогенидного сплава, чтобы дефекты этого материала не гасили свечение светодиода и при этом материал можно было “переключать” между изолирующим и проводящим состоянием. Благодаря этому теперь для создания узора свечения нужно лишь посветить лазером в конкретную точку халькогенидного слоя. Только это место перейдет в кристаллическую фазу, и именно там светодиод загорится при подаче напряжения. Наводя лазер на выбранные места, можно "нарисовать" любую схему свечения светодиода, поэтому процесс напоминает раскраску. Причем халькогенидный сплав — энергонезависимый материал, то есть освещенное лазером место останется в той же фазе, даже если убрать источник излучения. Если узор не подошел, мы снова светим лазером в те же места, они переходят в аморфную фазу, в которой ток не проходит, и таким образом стираем схему. Так мы повышаем функциональность и существенно упрощаем технологический процесс создания узора светодиода», — рассказал руководитель исследования, научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Артем Синельник.

Новая платформа поможет в создании оптически переключаемых светодиодов, которые пригодятся как сверхбыстрые источники излучения для дисплеев, датчиков или систем кодирования и передачи информации, например потенциальных оптических компьютеров.

Ученые продолжат работать над платформой — повысят стабильность и продолжительность ее работы, а также эффективность люминесценции. Для этого исследователи продолжат эксперименты с архитектурой платформы, например добавят промежуточные слои, изменят синтез или состав перовскита.

Исследование поддержано грантами Министерства науки и высшего образования России (FSER-2025−0011) и Российского научного фонда (№25−49−00103 и №25-79-10137).