Исследователи из Санкт-Петербургского Института точной механики и оптики (ИТМО) создали самый маленький в мире нанолазер для широкого спектра применений. Светоизлучающий прибор, который в 5 тысяч раз меньше миллиметра, может послужить как основой оптоэлектронных чипов, так и элементом дисплеев и медицинских приборов для точной диагностики.

Сергей Макаров. Источник изображения: Новый физтех ИТМО

«Ключевая идея предложенного дизайна нанолазера — использование нового механизма его работы за счет выстраивания сильной связи "свет-вещество". Это помогает значительно снизить порог его "включения". Излучение нанолазера имеет направленный характер, что позволяет эффективно собирать его в нашей оптической схеме и регистрировать на лабораторном спектрометре (прибор для фиксации, обработки и анализа волн света)», — рассказал Сергей Макаров, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.

Нанолазеры позволяют излучать свет с длиной волны намного большей, чем источник излучения. Особенно проблемно было получить источник «зелёных» фотонов. Разработка ИТМО преодолела это ограничение, прозванное в научной среде «зелёной ямой» (green gap). Предыдущий созданный в институте зелёный нанолазер был размером 310 нм. Новый удалось уменьшить до 200 нм.

В качестве светоизлучающего материала российские учёные использовали искусственно синтезированный перовскит — CsPbBr₃ в форме кубоида. «Этот материал изучается в университете с 2017 года. За это время учёным удалось доказать, что он стабилен, имеет высокий коэффициент оптического усиления (позволяет использовать энергию света максимально эффективно), а главное — он лучше всего работает в зеленом спектре», — поясняется в пресс-релизе ИТМО.

Следует уточнить, что все поставленные до этого времени эксперименты проводились с оптической накачкой нанолазера. На следующем этапе учёные начнут опыты с электрической накачкой нанолазера, для чего материал поместили на металлическую подложку. Это уже путь к дисплеям на базе светоизлучающих нанолазеров.

Ученые из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) разработали и испытали технологию производства прозрачных электродов с впечатляющим набором свойств. Электроды остаются одновременно прозрачными в широком диапазоне волн без потери электропроводности. Обычно возможно либо первое, либо второе. Разработка будет интересна для производительной оптоэлектроники, фотогенерации и умного остекления.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Electronic Materials. По факту российские исследователи первыми разработали электроды на основе дигерманида кальция (CaGe₂) — соединения, состоящего из чередующихся двумерных слоев атомов кальция и германия. Учёные вырастили тончайшие плёнки этого материала, осаждая в вакуумной камере кальций и германий на подложку из оксида алюминия и проводя их температурную обработку при 750−850 °C.

Прозрачность полученных образцов преимущественно в инфракрасном диапазоне от 1000 до 4000 нм оказалась на уровне 78%. Затем был применён определённый технологический приём — образец «перфорировали» с помощью лазера, создав на нём что-то в виде клетчатого узора. Это сразу же увеличило прозрачность электрода до внушительных 90 % с одновременным расширением диапазона прозрачности в область видимого света. Электрод обрёл прозрачность в диапазоне от 400 до 7000 нм. Что важно, сопротивление практически не увеличилось, хотя объём токопроводящего материала существенно снизился.

Авторы исследования протестировали работу новых электродов в составе германиевого фотодетектора. Эксперимент показал, что чувствительность такого прибора на электродах из дигерманида кальция на 85 % превышает коммерческие аналоги. Кроме того, датчик оказался способен улавливать более широкий диапазон длин световых волн: 800–2200 нм по сравнению с 800–1900 нм у других подобных устройств.

Перфорация электрода фемтосекундным лазером и достигнутый при этом эффект. Источник изображения: ACS Applied Electronic Materials

«Самое очевидное и прямое применение полученных результатов — это развитие приборной базы телекоммуникационных технологий. Исследованные нами фотодетекторы и электроды чувствительнее аналогов, а также улавливают более широкий диапазон длин волн. Поэтому они помогут усовершенствовать линии оптической связи, например передачу интернет-трафика по оптоволокну», — рассказал участник проекта, Александр Шевлягин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптики и электрофизики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Кроме использования в оптических приёмниках и передатчиках, а также в составе солнечных ячеек разработка может стать находкой для умного остекления. Например, окно с таким покрытием может быть освобождено от наледи и запотевания простым пропусканием тока по своей поверхности, что улучшит энергоэффективность помещений в холодные и сырые времена года.

Совместная работа учёных МФТИ, МИСИС и ИТМО позволила в деталях объяснить появление уникальных оптических свойств у кристаллов перовскита. Это один из самых перспективных материалов для оптоэлектроники будущего, понимание основ работы с которым даёт базу для создания компонентов и решений с заданными свойствами. Работа исследователей опубликована в журнале Nano Letters и доступна по ссылке.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Ранее научные коллективы во всём мире сталкивались с тем, что оптические свойства перовскитов проявляли себя не всегда или с разным значением. Речь идёт о зависимости оптических свойств кристаллов перовскитов от выбранного направления, что называется анизотропией. Это необходимо учитывать для создания волноводов, поляризаторов, нанолазеров и других оптических приборов. В одних случаях на выращенных кристаллах анизотропия проявлялась, а в других отсутствовала. Российские учёные выяснили, в чём кроется проблема.

«Форма кристаллов перовскитов определяет степень анизотропии. Если они в плоскости выросли квадратными, то они не будут проявлять анизотропных свойств, а если они стали прямоугольными, то перовскит будут анизотропным. Это удобно — просто взглянул на форму перовскита и понял, какие у него будут оптические свойства», — пояснил научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев.

Иначе говоря, российские исследователи на примере перовскита из свинца, цезия и бора (CsPbBr₃) нашли и описали взаимосвязь зависимости анизотропии выращенных кристаллов от условий выращивания и конечной формы кристаллов. Это позволит не бродить в темноте, наугад создавая тот или иной образец перовскитов для экспериментов, а целенаправленно выращивать кристаллы с заданными оптическими свойствами, что, кстати, является одним из основных критериев для массового производства.

Кроме того, учёные обнаружили, что при определённых условиях перовскиты обладают рекордно высоким уровнем оптической анизотропии для всех известных трёхмерных материалов. Это позволяет использовать перовскиты для создания высокоэффективных волноводов и других устройств, позволяющих управлять движением света, что крайне важно для создания оптических аналогов электроники.

«Мы уверены, что перовскиты станут основой посткремниевой электроники. В Лаборатории солнечной энергетики НИТУ МИСИС реализован процесс роста монокристаллов CsPbBr₃ и устройств на их основе. Мы работаем над новыми разновидностями перовскитных кристаллов для оптоэлектронного применения и благодарны коллегам из ИТМО и МФТИ за сотрудничество в сложном и интересном исследовательском проекте», — отметил ведущий инженер Лаборатории перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Артур Иштеев.

Графен представляется волшебным материалом для множества применений в электронике от производства аккумуляторов до выпуска чипов. Одной из таких ниш обещает стать оптоэлектроника. Использование графена в фотоприёмниках может значительно поднять скорость передачи данных, что актуально не только в перспективе для развития сетей 6G, но также в обозримом будущем для вывода оптического трафика на новый уровень пропускной способности.

Источник изображения: Pixabay

Современные фотодетекторы на основе полупроводниковых материалов неплохо справляются со своей ролью преобразовывать падающий свет в электрический сигнал. Однако для полупроводниковых материалов в силу их свойств (определённой ширины запрещённой зоны) есть ограничения. В частности, полупроводниковые фотодетекторы имеют обратную зависимость между полосой пропускания, чувствительностью и потреблением. Проще говоря, работающий на максимальной скорости фотопреобразователь потребует достаточно сильного входного сигнала, что увеличит помехи и потребление.

Графен как полуметалл свободен от таких ограничений полупроводников и обеспечивает широчайший спектр поглощения, включая тетрагерцовый, дальний инфракрасный, средний инфракрасный, ближний инфракрасный, коротковолновый инфракрасный, ультрафиолетовый и видимый. У графена нет запрещённой зоны, и это обеспечивает ему уникальную возможность улавливать электромагнитные волны множества длин, а это путь к сверхширокополосным фотодетекторам.

Также графен обладает высокой подвижностью носителей, что реализуется как сверхбыстрое преобразование фотонов в электрический ток, а высокая теплопроводность обещает максимально снизить потребление фотоприёмников. Наконец, графен совместим с классическими КМОП-техпроцессами производства, что в перспективе обеспечит ему интеграцию в чипы кремниевой фотоники.

Самый быстрый на сегодня фотодетектор создали немецкие разработчики из Центра передовой микроэлектроники Аахена и компании AMO GmBH. Графеновый фотодетектор обладает полосой пропускания свыше 128 ГГц, что в теории обеспечит скорость передачи данных по оптическим каналам со скоростью свыше 180 Гбит/с. Подобного расширения ёмкости каналов связи может потребовать даже развитие сетей 5G, не говоря уже о внедрении сетей 6G к концу текущего десятилетия.

Для коммерциализации графеновых фотодетекторов компания AMO совместно с учёными создала в Германии компанию Black Semiconductor. Заявлено, что Black Semiconductor представит технологию массового производства гибридных кремний-графеновых фотонных платформ для любой электроники. У компании AMO достаточно наработок в этой сфере, которые она передала Black Semiconductor. Например, ещё в 2018 году AMO показала первый в мире полностью графеновый оптический кабель связи, который может достигать скорости передачи данных 25 Гбит/с на канал. Преобразование электрических сигналов в оптические и обратное преобразование в разъёмах кабеля выполняли графеновые схемы.

Научный и производственный багаж Black Semiconductor и AMO Germany позволили включить их в общеевропейский проект ULTRAPHO (Ultra-fast Graphene Photodetectors FTI) целью которого является революция на рынке фотонных коммуникационных устройств путем вывода на рынок революционной графеновой технологии. Перефразируя давнюю поговорку о том, что памяти много не бывает, можно смело утверждать, что трафика тоже не бывает много. Графен обещает стать тем решением, которое если не решит проблему с пропускной способностью, то хотя бы на годы её отодвинет.