Polscy naukowcy opracowali elektrodę, która bardzo dobrze przewodzi prąd, a jednocześnie przepuszcza aż 94 proc. promieniowania podczerwonego. To ważny krok dla technologii, w których światło i prąd muszą działać w tym samym miejscu, ale nie powinny sobie przeszkadzać. Takie wyzwanie pojawia się między innymi w kamerach termowizyjnych, laserach, detektorach, czujnikach gazów i systemach LiDAR. Zespół z Politechniki Łódzkiej, Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki, Politechniki Wrocławskiej oraz Politechniki Warszawskiej pokazał, że w podczerwieni da się ominąć ograniczenie, które od lat utrudniało projektowanie sprawniejszych urządzeń optoelektronicznych.
Prąd i podczerwień dostały osobne drogi w jednej strukturze
W zwykłych urządzeniach optoelektronicznych elektroda ma proste zadanie – doprowadzić prąd tam, gdzie powstaje albo jest wykrywane promieniowanie. Problem zaczyna się wtedy, gdy sama elektroda blokuje światło, odbija je lub pochłania. W świetle widzialnym inżynierowie radzą sobie z tym dzięki przezroczystym elektrodom, znanym choćby z ekranów dotykowych i paneli fotowoltaicznych. W średniej i dalekiej podczerwieni taki kompromis jest znacznie trudniejszy, bo materiały przewodzące mocniej oddziałują z promieniowaniem.
Nowe rozwiązanie nie polega na stworzeniu kolejnej gładkiej warstwy przewodzącej. Badacze zaprojektowali strukturę z metalu i półprzewodnika, w której złoto odpowiada za transport prądu, a odpowiednio uformowany arsenek galu pomaga przeprowadzić promieniowanie podczerwone z możliwie małymi stratami. W praktyce oznacza to rozdzielenie dwóch funkcji, które zwykle rywalizują ze sobą w jednej elektrodzie. Prąd płynie metalowymi ścieżkami, a promieniowanie przechodzi przez zaprojektowaną mikrostrukturę.
Kluczowa jest tu skala całej architektury. Elementy elektrody są mniejsze od długości fali podczerwieni, dlatego promieniowanie nie widzi jej jak zwykłej metalowej przesłony. Struktura zachowuje się raczej jak specjalnie dobrana warstwa optyczna, która może dodatkowo ograniczać odbicie. Naukowcy określają ją skrótem metalMHCG, czyli metalicznie zintegrowaną monolityczną siatką o wysokim kontraście.
Wynik może pomóc kamerom, laserom i detektorom
W eksperymencie uzyskano 94 proc. transmisji dla promieniowania o długości fali 7 mikrometrów. Jednocześnie opór powierzchniowy wyniósł około 2,8 oma na kwadrat, co oznacza bardzo dobrą przewodność jak na elektrodę pracującą w podczerwieni. Autorzy publikacji wskazują, że takie połączenie przezroczystości i przewodzenia wyznacza nowy punkt odniesienia dla elektrod średniej i dalekiej podczerwieni. Co ważne, próbki miały powierzchnię większą niż 1 centymetr kwadratowy, a w mikro- i nanotechnologii to już krok w stronę praktycznych układów.
Znaczenie tej technologii najłatwiej zrozumieć przez konkretne zastosowania. W detektorze podczerwieni elektroda musi zebrać ładunek elektryczny powstały po pochłonięciu promieniowania, ale nie powinna zmniejszać ilości światła docierającego do aktywnej warstwy. W laserze prąd trzeba doprowadzić do obszaru emisji, nie tłumiąc przy tym wychodzącej wiązki. W kamerze termowizyjnej każda dodatkowa strata może przełożyć się na słabszy sygnał, niższą czułość albo mniej wyraźny obraz.
Nowa elektroda może więc zainteresować producentów sensorów, źródeł podczerwieni, urządzeń pomiarowych i systemów optycznych. Podczerwień jest wykorzystywana w przemyśle, medycynie, diagnostyce technicznej, komunikacji optycznej, wykrywaniu gazów i systemach obserwacyjnych. Lepsza transmisja przy zachowaniu przewodności może oznaczać mniej strat energii, szybszą pracę i wyższą skuteczność pomiarów. To szczególnie istotne tam, gdzie urządzenie musi działać precyzyjnie, a jednocześnie nie może być zbyt energochłonne.
Do przemysłowego wdrożenia wciąż potrzebne są kolejne etapy. Technologię trzeba połączyć z pełnymi układami optoelektronicznymi i sprawdzić, jak zachowa się przy produkcji na większą skalę. Autorzy pracy wskazują jednak, że wytwarzanie takich struktur może być zgodne z istniejącymi technikami litografii stosowanymi w przemyśle półprzewodnikowym. Najważniejszy wniosek jest prosty – elektrodę dla podczerwieni można zaprojektować tak, aby nie była przeszkodą dla światła, lecz częścią optycznego toru urządzenia.
Źródło: