Ученые из Центра физики интегрированных наноструктур (Center for Integrated Nanostructure Physics), работая вместе с учеными из Института фундаментальных наук (Institute for Basic Science, IBS), разработали структуру самого тонкого в мире фотодатчика на сегодняшний день. Этот датчик, который служит для преобразования энергии света в электрический ток, состоит из двух слоев графена, между которым зажат слой дисульфида молибдена, и он имеет толщину в 1.3 нанометра, в десять раз меньше, чем размеры самых маленьких кремниевых фотодиодов. Благодаря малым размерам, такие датчики могут быть использованы в устройствах Интернета Вещей, в сверхминиатюрной электронике и в фотоэлектронике.

Несмотря на многие замечательные параметры, графен обладает одним недостатком, этот материал обретает полупроводниковые свойства только под воздействием ряда определенных факторов, что сужает область его применения в чистом виде в электронике. Поэтому ученые решили «разбавить» графен материалом, имеющим ярко выраженные полупроводниковые свойства. Они поместили слой дисульфида молибдена между двумя слоями графена и расположили все это на поверхности кремниевой подложки.

Изначально ученые сомневались в том, что столь тонкое устройство вообще сможет произвести какой-либо электрический ток за счет фотоэлектрического эффекта. «Устройство, имеющее только один слой дисульфида молибдена, не может рассматриваться, как обычный p-n переход, где положительные и отрицательные заряды отделены друг от друга и создают внутреннее электрическое поле» — рассказывает Ю Ву Джонг (YU Woo Jong), ведущий исследователь, — «Однако, когда мы осветили изготовленную нами структуру, мы обнаружили фотоэлектрический ток достаточно большой силы. Это является удивительным фактом, ведь этот ток произведен не обычным p-n переходом и все это нуждается в дополнительных исследованиях».

Проводя дополнительные исследования, ученые сравнили работу двух фотодетекторов, с одним слоем дисульфида молибдена и семью слоями. Как и следовало ожидать, устройство с семью слоями оказалось способно поглощать большее количество света, нежели устройство с одним слоем, однако последнее имело более высокую чувствительность и скорость реакции на изменения светового потока. Более того, устройство с семью слоями поглощало свет в более широком диапазоне. Однако дальше ученые наткнулись на своего рода парадокс — устройство с одним слоем дисульфида молибдена оказалось способным вырабатывать в семь раз больший электрический ток, нежели более толстое устройство.

Ученые объясняют обнаруженный парадокс тем, что возникновение фотоэлектрического тока в данном случае можно объяснить не с точки зрения классического электромагнетизма, а с точки зрения квантовой механики. Для преодоления потенциального барьера между слоями дисульфида молибдена и графена, возбужденные светом электроны используют эффект квантового туннельного перехода. И, естественно, чем больше толщина устройства, тем сложнее электронам становится совершить квантовый туннельный переход.

«Созданное нами устройство прозрачно, гибко и для его работы требуется меньшее количество энергии, чем для традиционных фотодетекторов на базе кремниевых полупроводников» — рассказывает Ю Ву Джонг, — «Если наши дальнейшие исследования пройдут успешно, то в руки людям попадет совершенно новый тип фотоэлектрического преобразователя, на базе которого можно будет делать высокочувствительные матрицы для скоростных камер, высокоэффективные солнечные батареи и многое другое».