Оптика и электроника срослись монослоями

Светодиод с использованием монослоя WSe2.

Не прошло и 10 лет с того момента, как два наших ученых, работавших в Манчестерском университете, придумали «слущивать» с помощью скотча сверхтонкие слои углерода. Оказалось, что полученный материал обладает механической прочностью и чуть ли не сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре. Создатели назвали новый материал с необычными свойствами «графен». Однако нанотехнологов не устраивает то, что он весьма плохой фотовольтаик, то есть «отказывается» конвертировать энергию света в электрический ток, и наоборот.

Две работы, появившиеся в журнале Nature Nanotechnology, возвращают нас к классическому вольфраму, который в сочетании с селеном дает не только гибкий полупрозрачный монослой, но и генерирует свет под действием тока, а также преобразует энергию солнечного света в поток электронов. Диселенид вольфрама (WSe2) представляет собой слой вольфрамовых атомов, образующий с расположенными сверху и снизу слоями селена своеобразный сандвич.

Железная «заплатка» в графеновом слое. Иллюстрации Physorg, Science daily

В Техническом университете Вены показали, что лишь 5% падающего на такой бутерброд света взаимодействует с WSe2, при этом 10% уловленной световой энергии конвертируется в электрическую. Характеристиками тока можно манипулировать с помощью света. Тем самым получен практически монослойный диод.

Преимущества нового полупроводника оценили и в университете штата Вашингтон в г. Сиэтл (США), сотрудники которого создали самые тонкие светодиоды (LED – Light-Emitting Diod) на кремниевой подложке. Новые диоды открывают возможность создания световых чипов, работающих с большими скоростями, чем электронные, и к тому же не генерирующие «паразитического» тепла. При этом для электролюминесцентного генерирования света новые LED требуют в 1000 раз меньший ток. В качестве диэлектрической (изолирующей) подложки использован нитрид бора, отделяющий слой селенида вольфрама от электродов.

Сотрудники университетов Вандербилта и Алабамы (США) предложили в журнале Nano Letters довольно простые оптические переключатели из расположенных на стекле наночастиц диоксида ванадия (VO2), поверхность которого усеяна более мелкими частицами золота. Фокус заключается в том, что при освещении частиц инфракрасными импульсами фемтосекундного,  то есть с длиной импульса 10–15 с, лазера с терагерцовой частотой (энергией не более 1,5 электрон-вольт) новый метаматериал переходит из непрозрачного металлического состояния в полупроводниковое. Причем этот фазовый переход осуществляется за какие-то триллионные доли секунды (пикосекундные, или 10–12 с).

Успех достигнут благодаря «горячим», или баллистическим, электронам, выбиваемым светом из золота, которое снижает количество световой энергии в 10–20 раз по сравнению с чистым диоксидом ванадия. Авторы подчеркивают, что промышленность крайне заинтересована в интеграции оптики и электроники, и ведущие производители делают все более оптически функциональные чипы. Уменьшение размеров ванадиевых частиц делает их настраиваемыми оптическими антеннами с высоким диэлектрическим коэффициентом. Это крайне важно для снижения количества образующегося тепла и повышения скорости передачи информации.

3D-картина диселенида вольфрама. Атомы вольфрама – в среднем слое.

И все же ученые верят в графеновый монослой и его уникальные свойства. Сотрудники Исследовательского института в Дрездене, которым помогали коллеги из Польши и Южной Кореи, представили в журнале Science описание графена с монослойным кристаллом в виде железной мембраны-«заплатки», внедренной в углеродную пору. Новый конструкт защищает металлический монослой от неминуемого разрушения, графен же придает железу усиление магнитных свойств.

В будущем стабильные в самых разных условиях железные мембраны могут найти широкое применение в самых разных наноустройствах. Например, они могут сделать старую добрую магнитную запись вновь конкурентоспособной, а также найти свое место в развивающейся фотонике.

Кстати, ученые Оксфорда представили в журнале Nature Photonics новый метод получения отдельных фотонов, которые необходимы для создания накопителей оптической памяти. Прорыв случился благодаря помещению атомов цезия в… полом оптоволокне, что позволило тратить в 200 раз меньше энергии для сохранения и извлечения световых импульсов при комнатной температуре. Отношение уровня сигнала к шуму составило 2,6, а эффективность работы новой памяти достигала 28%. Время жизни световой памяти синхронизированных фотонов достигло в эксперименте 30 наносекунд. Но авторы уверены, что смогут увеличить ее до 100 наносекунд.