Расширение возможностей новой измерительной техники для характеристики материалов в масштабах, значительно меньших, чем у любых современных технологий, ускорит обнаружение и исследование двумерных, микро- и наноразмерных материалов.

Возможность точного измерения полупроводниковых свойств материалов в небольших объемах помогает инженерам определить диапазон применений, для которых эти материалы могут быть пригодны в будущем, особенно в связи с тем, что размер электронных и оптических устройств продолжает сокращаться.

Дэниел Вассерман, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Инженерной школе Кокрелла, руководил командой, которая создала физическую систему, разработала методику измерения, способную достичь этого уровня чувствительности, и успешно продемонстрировала ее улучшенные характеристики. Об их работе сообщили сегодня в Nature Communications .

Проектный подход команды был направлен на развитие способности обеспечивать количественную обратную связь по качеству материала, с конкретными приложениями для разработки и производства оптоэлектронных устройств. Продемонстрированный метод способен измерять многие материалы, которые, как полагают инженеры, однажды повсеместно распространяются в оптоэлектронных устройствах следующего поколения.

Оптоэлектроника — это исследование и применение электронных устройств, которые могут получать, обнаруживать и контролировать свет. Оптоэлектронные устройства, которые обнаруживают свет, известные как фотоприемники, используют материалы, которые генерируют электрические сигналы от света. Фотодетекторы находятся в камерах смартфонов, солнечных элементах и ​​в волоконно-оптических системах связи, которые составляют наши широкополосные сети. В оптоэлектронном материале количество времени, в течение которого электроны остаются «фотовозбужденными» или способными генерировать электрический сигнал, является надежным индикатором потенциального качества этого материала для применений в области фотодетектирования.

Текущий метод, используемый для измерения динамики носителей или времени жизни фотовозбужденных электронов, является дорогостоящим и сложным и измеряет только крупномасштабные образцы материала с ограниченной точностью. Команда UT решила попробовать использовать другой метод для количественной оценки этих времен жизни, помещая небольшие объемы материалов в специально разработанные схемы микроволнового резонатора. Образцы подвергаются воздействию концентрированных микроволновых полей внутри резонатора. Когда образец освещается светом, сигнал микроволновой цепи изменяется, и изменение в цепи можно считывать на стандартном осциллографе. Спад СВЧ-сигнала указывает время жизни фотовозбужденных носителей заряда в небольших объемах материала, помещенного в цепь.

«Измерение затухания электрического (микроволнового) сигнала позволяет нам измерять срок службы носителей материалов с гораздо большей точностью», — сказал Вассерман. «Мы обнаружили, что это более простой, дешевый и эффективный метод, чем современные подходы».

Срок службы носителя является критическим параметром материала, который обеспечивает понимание общего оптического качества материала, а также определяет диапазон применений, для которых материал может быть использован при его интеграции в структуру устройства фотоприемника. Например, материалы, которые имеют очень большой срок службы носителей, могут иметь высокое оптическое качество и, следовательно, очень чувствительные, но могут быть бесполезны для приложений, требующих высокой скорости.

«Несмотря на важность срока службы носителя , существует не так много бесконтактных опций для характеристики материалов небольшой площади, таких как инфракрасные пиксели или двумерные материалы, которые приобрели популярность и технологическую значимость в последние годы», — сказал Вассерман. ,

Одной из областей, которые, несомненно, выиграют от применения этой технологии в реальных условиях, является инфракрасное обнаружение, жизненно важный компонент в области молекулярного зондирования, тепловидения и некоторых систем защиты и безопасности.

«Лучшее понимание инфракрасных материалов может привести к инновациям в очках ночного видения или инфракрасной спектроскопии и сенсорных системах», — сказал Вассерман.

Высокоскоростные детекторы, работающие на этих частотах, могут даже обеспечить развитие связи в свободном пространстве в длинноволновом инфракрасном диапазоне — технологии, позволяющей осуществлять беспроводную связь в трудных условиях, в космосе или между зданиями в городских условиях.