Простое изготовление пористых фотодетекторов BixSy/Si одним шагом лазерного абляционного воздействия в жидкости

Преобразование света в сигналы при помощи тонких пористых пленок

От камер в телефонах до оптоволоконных сетей — современная жизнь опирается на устройства, которые улавливают слабые вспышки света и преобразуют их в электрические сигналы. В этой статье исследуется простой способ изготовления таких светочувствительных приборов — фотодетекторов — с использованием относительно безопасного и доступного материала, а также показано, как настройка лазера в процессе синтеза может заметно повысить их характеристики.

Нежный минерал с сильными возможностями

Работа сосредоточена на сульфиде висмута — соединении, встречающемся в природе и принадлежащем к семейству материалов, известных своей эффективной абсорбцией света при низкой токсичности. Сульфид висмута особенно хорошо поглощает видимый и ближний инфракрасный свет — те же диапазоны, которые используются во многих технологиях визуализации и связи. Его внутренняя энергетическая шкала, или запрещенная зона, находится в благоприятной точке, что делает материал перспективным для солнечных элементов и фотодетекторов. Ранее показали, что при уменьшении размеров до наномасштаба или при незначительном изменении состава можно варьировать его светопоглощающие и светоизлучающие свойства. Проблема заключалась в том, чтобы получать чистые, хорошо контролируемые структуры без сложной и дорогой обработки.

Создание наномочалок лазером в стакане

Вместо традиционных печей высокой температуры или химических ванн команда использовала метод, называемый импульсной лазерной абляцией в жидкости. Они поместили твердую таблетку висмута на дно неглубокого раствора тиоуреи — жидкости, поставляющей атомы серы — и направляли короткие интенсивные импульсы зеленого лазерного света на образец. Каждый импульс выбивает атомы с поверхности в жидкость, где они встречаются с серой и быстро образуют крошечные частицы сульфида висмута. Сохраняя число импульсов постоянным, но меняя энергию лазера, исследователи могли регулировать объем удаляемого материала и рост частиц. Полученные частицы затем наносили центрифугированием на кремниевые подложки в виде тонких покрытий, формируя пористый, губкообразный слой на поверхности кремния.

От губкообразных пленок к светочувствительным чипам

Изображения с микроскопа показали, что эти покрытия представляют собой не гладкие пленки, а сложные трехмерные сети пор и тонких стенок, с размерами пор порядка десятков нанометров. При одной конкретной энергии лазера пленка напоминает высокоравномерную сетку взаимосвязанных пустот, покрывающую почти 80% поверхности. Такая структура создает очень большую внутреннюю площадь, где свет можно задерживать и поглощать, и где генерируются электрические заряды. Измерения подтвердили, что образовавшийся материал — кристаллический сульфид висмута, причем внутренняя упорядоченность улучшается с увеличением энергии лазера. Оптические тесты показали, что край поглощения смещается в зависимости от энергии лазера, что указывает на то, что размер и расположение наночастиц, а также небольшие отклонения от стехиометрии тонко меняют взаимодействие материала со светом.

Сборка и испытания светодетекторов

Чтобы превратить эти пленки в рабочие фотодетекторы, исследователи «бутербродировали» пористый слой сульфида висмута между металлическим контактом сверху и кремниевой подложкой снизу, с дополнительным металлическим контактом на тыльной стороне кремния. Когда свет падает на пористый слой, в нем генерируются пары зарядов, которые разделяются на границе между сульфидом висмута и кремнием и направляются к контактам. Измеряя электрический ток при разной длине волны и интенсивности света, команда оценивала чувствительность каждого устройства. Они обнаружили, что устройства, изготовленные при промежуточной энергии лазера, демонстрировали сильный, почти линейный рост тока с интенсивностью света, высокую чувствительность в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах и быструю динамику включения/выключения. Ключевые параметры — отзывчивость, детектируемость и внешняя квантовая эффективность — достигали значений, сопоставимых или превосходящих многие ранее описанные устройства на основе сульфида висмута, изготовленные более сложными методами.

Почему это важно для будущих сенсоров

Проще говоря, исследование показывает, что аккуратное бомбардирование металла лазером в простой жидкости может создать деликатные «наномочалки», которые отлично улавливают свет и превращают его в электрические сигналы. Путем настройки мощности лазера исследователи могут контролировать внутреннюю структуру пленки и, следовательно, работу получаемого детектора. Лучшие устройства в этой работе обладают высокой чувствительностью в широком диапазоне длин волн, реагируют и восстанавливаются за доли секунды и сохраняют стабильность при многодневной эксплуатации. Поскольку метод относительно прост, использует нетоксичный светопоглощающий материал и не требует дополнительных термообработок или катализаторов, он указывает путь к доступным и масштабируемым светочувствительным датчикам для визуализации, связи и энергоэкономичного оптического обнаружения.

Цитирование: Ahmed, A.M., Ramizy, A., Ismail, R.A. et al. Facile fabrication of porous Bi_xS_y/Si photodetectors by one step laser ablation in liquid. Sci Rep 16, 8047 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37668-8

Ключевые слова: фотодетекторы на сульфиде висмута, импульсная лазерная абляция в жидкости, пористые наноструктурированные пленки, устройства с Si-гетеропереходом, широкополосное светочувствительное распознавание