Ученые Томского политехнического университета совместно с зарубежными коллегами впервые обнаружили уникальный фотоотклик в двумерном полупроводнике, трисульфиде мышьяка, полученном из минерала российского месторождения. Материал демонстрирует хороший фотоотклик даже при низкой интенсивности освещения, что открывает перспективы для разработки энергоэффективных оптоэлектронных устройств. Об этом сообщила пресс-служба университета.

Двумерные материалы — ультратонкие слои с самыми разными свойствами: от проводников, как графен, до полупроводников и даже диэлектриков. Причем физические, химические и электронные свойства двумерных материалов уникальны и интересны для применения в электронике, сенсорах и катализе. Такие двумерные материалы, как тальк или дисульфид молибдена, можно получить эксфолиацией — отслоением ультратонких слоев от их объемных форм, встречающихся в виде природных слоистых минералов.

Но многие слоистые минералы совершенно не исследованы в форме ультратонких слоев. Поиск материалов с уникальными свойствами из природных минералов, добытых на территории России, — интереснейшая задача, которая может привести к появлению новых перспективных устройств. В рамках этого исследования ученым ТПУ удалось получить тонкие (нанометровые) чешуйки трисульфида мышьяка из минерала аурипигмента.

«Наши исследования показали, что под воздействием даже слабого света этот материал достаточно сильно изменяет свои электронные свойства, но при этом не начинает проводить электрический ток, как это обычно происходит в случае полупроводников, используемых в фотоприемных устройствах. Механизм этого процесса другой. При воздействии света в двумерном материале происходит перераспределение зарядов. В результате поверхностный электрический потенциал увеличивается до 80 мВ», — рассказывает соавтор исследования, научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Гарсия Бальса Аура Самид.

Способность материала модулировать поверхностный потенциал делает его перспективным для разработки фототранзисторов и оптических переключателей нового поколения.

Для сравнения: дисульфид молибдена — самый известный двумерный полупроводник — при тех же условиях не проявляет изменений поверхностного потенциала.

С другой стороны, применение металлических наночастиц перспективно в фотокатализе, сенсорике и оптоэлектронике. Они позволяют усиливать взаимодействие света с веществом, стимулируют оптоэлектронный отклик и улучшают фотокаталитические характеристики 2D-материалов. Поэтому для повышения чувствительности к свету исследователи создали гибридный материал, объединив трисульфид мышьяка с серебряными нанопроволоками. Эта комбинация увеличивает эффективность фотокаталитических процессов на 71% по сравнению с использованием одних только нанопроволок.

«Обнаруженные свойства ультратонких слоев минералов могут стать основой развития новых технологий оптоэлектронных или фотокаталитических систем. В дальнейших исследованиях мы планируем изучить свойства и других ультратонких слоев минералов, добываемых в России, и исследовать свойства комбинаций разных двумерных материалов», — делится соавтор исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Рауль Родригес.

В этой работе приняли участие сотрудники Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, Инженерной школы природных ресурсов ТПУ, Университета Шихэцзы, Института материаловедения и инжиниринга г. Нинбо и Университета электронных наук и технологий Китая.