Учёные создали двухдиапазонный инфракрасный сенсор нового поколения

Международный коллектив ученых, в который вошли ведущие российские исследователи из МИСИС, МПГУ, РКЦ и МИЭМ НИУ ВШЭ, разработали инфракрасный детектор, способный регистрировать излучение одновременно двумя разными способами: как классический фотоприёмник и тепловой сенсор. Такой подход открывает возможности для создания высокоэффективных устройств нового поколения, которые смогут анализировать объекты с разной температурой, лучше «видеть» сквозь оптические помехи и точнее различать материалы и объекты по их тепловому следу.

Инфракрасные детекторы применяются в промышленном контроле, медицине, экологии, системах ночного видения и космической технике. Обычно такие устройства работают по одному из двух принципов: либо фотоэлектрические датчики напрямую преобразуют фотоны в электрический сигнал, либо тепловые сенсоры регистрируют изменение характеристик материалов за счет нагрева под действием излучения. Для решения этой проблемы учёные разработали инновационный инфракрасный сенсор на основе монокристаллов теллурида свинца, который впервые объединяет в одном устройстве два механизма регистрации излучения — фотоэлектрический и тепловой, тем самым повышая эффективность обнаружения объектов.

«Мы показали, что один полупроводниковый элемент способен регистрировать инфракрасное излучение двумя различными физическими способами. При этом механизмы практически не влияют друг на друга. При воздействии средневолнового инфракрасного излучения с длиной волны 2–5 мкм устройство работает как обычный фотодиод: фотоны создают электрический сигнал благодаря генерации электронно-дырочных пар. При более длинноволновом излучении от 10,6 мкм включается другой механизм — барьерный пироэлектрический эффект», — рассказал Данил Кобцев, лаборант-исследователь лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.

Теллурид свинца широко применяется в фотодетекторах средневолнового инфракрасного диапазона благодаря высокой чувствительности к такому излучению. При этом проявление пироэлектрического эффекта на его поверхности ранее считалось невозможным, ведь по законам классической физики это явление можно наблюдать только в материалах без центра симметрии, например, титанате бария и танталате лития. При изменении температуры на поверхности таких кристаллов возникает электрический заряд, который можно использовать для регистрации инфракрасного излучения.

«Теллурид свинца относится к материалам с центром симметрии, не способным проявлять пироэлектрический эффект в обычных условиях. Мы ввели в него примесь индия и сформировали p–n-переход, благодаря чему внутри кристалла появилось встроенное электрическое поле. Оно нарушило локальную симметрию, сдвинув подрешётки ионов относительно друг друга. В итоге благодаря сильной температурной зависимости диэлектрической проницаемости в теллуриде свинца мы получили большой электрический сигнал, который можно использовать для регистрации излучения с энергией меньше, чем запрещённая зона. При этом материал сохранил все свои стандартные фотоэлектрические характеристики, что и позволило объединить в одном устройстве два механизма регистрации ИК-излучения», — объяснил к.ф.-м.н. Вадим Ковалюк, заведующий лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.

Исследователи подтвердили работоспособность экспериментальных образцов в типичном для высокоточных детекторов диапазоне температур: от −233 до −83 °C. Испытания показали высокую чувствительность в фотоэлектрическом режиме, устойчивый тепловой отклик и стабильность характеристик при длительной работе. Подробности исследования опубликованы в журнале Journal of Applied Physics (Q2).

«Предложенная полупроводниковая архитектура создаёт основу для разработки универсальных, компактных и точных матричных сенсоров, которые могут использоваться в работе тепловизоров, систем наблюдения, а также для промышленной диагностики и научных исследований», — отметил д.ф.-м.н. Григорий Гольцман, главный научный сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций НТИ МИСИС.