Специалисты из РТУ МИРЭА разработали модель, предназначенную для создания новых поколений фотодетекторов, использующих двумерные материалы. Такие устройства найдут применение в широком спектре задач, включая медицинскую диагностику, обеспечение безопасности и космические технологии.
Фотодетекторы, использующие двумерные материалы, например дисульфид молибдена (MoS₂), демонстрируют выдающуюся светочувствительность, учитывая их крайне малую толщину, составляющую всего несколько атомов. Однако процесс создания и оптимизации таких детекторов представляет собой непростую задачу, требующую глубокого понимания физических явлений, происходящих внутри материала. Специалисты из РТУ МИРЭА предложили инновационное решение: они создали компьютерное моделирование, предназначенное для прогнозирования рабочих параметров подобных устройств, которое включает в себя расчеты поглощения света и перемещения электронов в материале.
«Наша модель функционирует как цифровая копия реального устройства, позволяющая рассчитывать поведение электронов в ультратонких материалах под воздействием света. При этом учитываются структурные дефекты, геометрические особенности и неидеальности материала, которые способны оказывать влияние на работу устройства, — поясняет Сергей Лавров, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры наноэлектроники РТУ МИРЭА. — Это позволяет с высокой точностью прогнозировать работу фотодетекторов, исключая необходимость проведения дорогостоящих экспериментальных исследований для каждого разрабатываемого устройства».
Основным аспектом разработки является детальное трехмерное моделирование всей структуры фототранзистора, охватывающее электроды и межфазные переходы. Для проверки корректности модели были применены данные о хорошо исследованном дисульфиде молибдена (MoS₂). Полученные результаты продемонстрировали, что увеличение толщины материала в десять раз (с 4 до 40 нм) вызывает тысячекратное увеличение фототока, что соответствует результатам экспериментов. Это свидетельствует о высокой точности модели и предоставляет перспективы для совершенствования высокочувствительных фотодетекторов.
«По мнению соавтора исследования Андрея Гуськова, разработанная методика имеет важное практическое применение, поскольку она позволяет оптимизировать характеристики устройств уже на этапе проектирования. Модель дает возможность инженерам выбирать наиболее подходящую толщину материала, тип электродов и конфигурацию контактов для достижения наилучшей чувствительности. Это представляет собой значительную ценность для промышленного производства, где даже незначительное улучшение параметров способно оказать существенное влияние на конкурентоспособность продукции».
В настоящее время разработанный подход позволяет справиться с одной из ключевых проблем, связанных с наноприборами, – их нестабильностью и непредсказуемостью. Модель позволяет учесть воздействие даже незначительных изменений в структуре материала, что является важным фактором для организации серийного производства. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Modelling, появление данной технологии уже привлекло внимание международного научного сообщества. Разработка российских ученых открывает новые возможности для создания высокотехнологичных устройств нового поколения.