В Центре Физики Интегрированной Наноструктуры корейского Института базовых наук (IBS) был разработан самый тонкий в мире фотодетектор. Толщина его составляет всего 1,3 нм, что в 10 раз меньше, чем у современных кремниевых диодов. Это 2D-устройство может быть использовано в носимой электронике и фотоэлектронике, во всевозможных умных гаджетах и в Интернете Вещей (IoT).

Для того чтобы получить этот фотодетектор, ученые из IBS заключили 2D-полупроводник дисульфид молибдена между двух слоёв графена и поместили этот сэндвич на кремниевую основу.

Хотя приступая к эксперименту они не надеялись, что такая тонкая гетероструктура сможет генерировать электрический ток, их ждало приятное разочарование.

«Когда мы осветили его, то наблюдали высокий фототок. Это было неожиданным. Поскольку это не могло быть классическим p-n-переходом, потребовались дальнейшие исследования», — пишет Ю Ву Джонг (YU Woo Jong), первый автор статьи в Nature Communications.

Обычно фототок пропорционален степени поглощения света детектором, однако по сравнению с образцом, состоящим из семи слоёв MoS2, однослойное устройство генерировало в семь раз больше фототока.

Выдвинутая в статье гипотеза объясняет это несоответствие влиянием квантовых эффектов, а именно, туннелированием электронов через энергетический барьер на границе раздела графена и дисульфида молибдена. При этом, воздух снижает барьер для верхнего слоя графена, а кремний повышает его для нижнего, так что возбужденные электроны переходят главным образом (до 65%) вверх и принимают участие в создании электрического тока. Соответственно, в многослойной структуре, электроны имеют равные вероятности перехода в обе стороны, что ведёт к уменьшению общего фототока. Кроме того, в более толстом устройстве электроны и дырки движутся медленнее и могут рекомбинировать, не покидая слоя дисульфида молибдена.

«Новое устройство гибкое, прозрачное и потребляет меньше энергии, чем современные объемные кремниевые полупроводники. Если результаты дальнейших исследований будут благоприятны, оно сможет ускорить разработку двумерных фотоэлектрических устройств», — считает профессор Ю.