Диселенид вольфрама показал себя универсальным полупроводником, причём первые же устройства на нём оказались весьма эффективными. Оптоэлектроника на пороге перемен?

Об одинаковых достижениях заявили одновременные публикации сразу трёх групп, появившиеся в Nature Nanotechnology. Один из этих коллективов представляет Массачусетский технологический институт (США), а руководит им Пабло Харийо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero).

Рис. 1. К небольшому прямоугольнику в центре — пластинке из диселенида вольфрама — ток поступает через два золотых проводка, заставляя испускать свет (яркая область в центре). (Здесь и ниже иллюстрации Britt Baugher, Hugh Churchill).

Всё три группы работали с диселенидом вольфрама — по сути, «двумерным» материалом типа графена, слой которого обычно имеет толщину в одну молекулу. Исследователям удалось использовать его для создания диода — одного из базовых строительных кирпичиков современной электроники.

Обычно диоды производят при помощи допирования. Варьируя допирующее вещество, можно в итоге получить полупроводниковый материал либо p-типа, либо n-типа.

Однако на сей раз лист диселенида вольфрама был допирован наполовину как материал p-типа, а наполовину — как материал n-типа. При очень близком контакте с металлическим электродом его функции можно менять, просто варьируя напряжение на электроде, что позволяет почти мгновенно превращать одну и ту же пластину то в один, то в другой тип полупроводников.

Всё это, по словам г-на Харийо-Эрреро, придало конечному диоду «очень близкие к идеальным» качества.

На основе такого диода его группа изготовила три базисных типа оптоэлектронных устройств: фотодетектор, фотоэлемент (он же «солнечная батарея») и светодиод. Приборы чисто демонстрационные, от которых требуется только одно: показать возможности нового материала.

Но уже сейчас они представляют большой интерес. Дело в том, что, в отличие от графена, из диселенида вольфрама хоть завтра можно производить пластины высокого качества и любых размеров. Кроме того, у этого материала безо всяких ухищрений есть своя запрещённая зона, и, меняя допирующие вещества, её можно сдвигать. Последнее, в частности, означает, что такие светодиоды могут быть любых цветов — причём опять-таки сразу, а не при помощи непростых ухищрений и косвенных методов, снижающих эффективность испускания света.

Близкая ситуация и с восприимчивостью фотоэлементов на диселениде вольфрама: при их изготовлении можно выбирать самую желательную часть солнечного спектра и оптимизировать преобразование в электричество света с нужной длиной волны. Сейчас подобных «универсальных», гибко настраиваемых материалов, по сути, нет, и их появление могло бы серьёзно изменить облик нынешней индустрии.

Рис. 2. Экспериментальное устройство под микроскопом.

Наконец, материал прозрачен и довольно прочен, являясь при этом гибким. В теории это позволит — при достижении фотоэлементами на его основе нужного КПД — интегрировать солнечные батареи на нём в окна машин или офисных зданий.

Но как быть с тем, что селен не самый распространённый или дешёвый материал? Да и токсичность у него не та, что у кремния… Сначала о последнем: прочность и исключительно малый вес на единицу площади делают возможные потери селена из пластин нового материала чрезвычайно малыми, сравнимыми с естественной потребностью человеческого организма в этом микроэлементе. Предельно малая масса селена, необходимая для создания довольно больших листов, минимизирует общую потребность в нём, и, следовательно, опасаться дефицита этого вещества в ближайшее время не приходится.

Кирилл Болотин из Университета Вандербильта (США), не участвовавший в этом исследовании, замечает:

«Пожалуй, наиболее удивительной чертой работы является то, что созданные в её ходе устройства эффективны… Возможно, подобные приборы смогут изменить то, как мы представляем себе само использование компактной оптоэлектронной элементной базы».

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Nanotechnology.