Устройство на квантовых точках, разработанное в Нидерландах, обходится без использования традиционной тонкоплёночной архитектуры, характерной для современных фотодетекторов, и может быть востребовано в самых разных областях — от биоимиджинга до производства солнечных батарей.

Квантовые точки, обладатели выдающихся светоабсорбционных способностей, давно считаются перспективным материалом для создания фотодетекторов. Тонкие плёнки квантовых точек можно легко получить из раствора (суспензии), что важно, если мы хотим иметь недорогой прибор. Напомним: в стандартном фотодетекторе на основе квантовых точек свет абсорбируется тонкими плёнками, вызывая генерацию свободных носителей заряда, которые затем должны достичь противоположных электродов и тем самым известить о появлении в системе фототока (сигнала).

Рис. 1. Нидерландский фотодетектор на квантовых точках (иллюстрация ACS).

Проблема же такого детектора заключается в самой природе материала: наноразмерные частицы образуют чрезвычайно гранулированную структуру, представляющую собой «бесконечный» набор потенциальных барьеров и дефектов, которые тормозят носителей зарядов (электроны и дырки), резко увеличивая время отклика.

Кроме того, далеко не все носители заряда смогут преодолеть такую «пересечённую местность», что более чем существенно снижает общую эффективность устройства.

Учёные из Делфтского технического университета (Нидерланды) нашли способ устранить эту проблему, избавившись от «наследованной» от других материалов тонкоплёночной архитектуры. Они попросту подвели индивидуальные электроды к каждой квантовой точке, с тем чтобы образующиеся заряды не испытывали никаких трудностей с достижением конечного места назначения.

Понятно, что в столь отчаянном случае основной проблемой становится создание плоских электродов, которые были бы разделены лишь несколькими нанометрами — расстоянием, которое соответствует размеру одномерных нанообъектов.

Достичь этого удалось с помощью технологии «самосовмещения» (self-alignment), изюминка которой — использование природного оксидного слоя толщиной в несколько нанометров в качестве защитного слоя первого электрода. Прямо напротив первого электрода осаждается второй, а защитный оксидный слой удаляется травлением, открывая нанометровый зазор между двумя соседними электродами (зазор представляет собой длинную щель толщиной в несколько нанометров, в которую бок о бок по длине могут усесться много квантовых точек, а по ширине — только одна: см. иллюстрацию).

Заключительный шаг состоит в простом погружении подготовленного набора электродов в раствор квантовых точек с последующей быстрой химической обработкой для улучшения контакта между наноточками и их электродами.

Несмотря на малые размеры, фотодетекторы, созданные по этой технологии, генерируют очень хороший сигнал. Это означает, что они могут быть интегрированы в единые устройства с гораздо большей рабочей плотностью, чем это имеет место в случае традиционных тонкоплёночных детекторов.

Одним из применений для таких интегрированных устройств могут стать CCD-матрицы ультравысокой плотности с необычайно коротким временем отклика, что очень важно для визуализации протекания биологических процессов.

Кроме того, не будет лишним упомянуть об огромном потенциале новых детекторов в качестве фотогальванических элементов. Дело в том, что один высокоэнергетический фотон, достигающий поверхности такого фотогальванического материала, может породить свободные электроны и дырки с энергиями, которые по меньшей мере равны (или превосходят) размеру запрещённой зоны квантовой точки. Электроны с энергиями, в два раза превосходящими величину запрещённой зоны, способны передавать её одному или нескольким валентным электронам, что приводит к формированию сразу нескольких экситонов (пар электрон — дырка) на один поглощённый фотон. В этом случае эффективность конверсии солнечной энергии резко возрастает.

Подробнее о точечно-квантовых детекторах можно узнать из статьи, опубликованной в журнале Nano Letters.