Группа ученых из российского Университета ИТМО и южнокорейского POSTECH под руководством Василия Кравцова совершила заметный шаг вперед в развитии современных дисплейных и оптических технологий, представив инновационный сверхтонкий элемент, который излучает свет в 1600 раз ярче традиционных аналогов. В основе открытой конструкции лежит уникальное сочетание двумерного полупроводника MoSe2 и специально спроектированной плазмонной метаповерхности из золота. Такой прорыв открывает новые возможности для создания сверхтонких, долговечных и ярких дисплеев, голографических устройств, а также перспективных решений для носимой электроники и оптоэлектроники.
Проблемы традиционных светоизлучающих технологий
Широкий спектр современных устройств — от увеличивающих реальность очков до смартфонов, автомобильных панелей и ультратонких дисплеев — использует прозрачные элементы, способные эффективно излучать свет. В массовом производстве преобладают органические светодиоды (OLED), основанные на люминофорах и полупроводниках органического происхождения. Несмотря на привлекательность таких решений, их характеристики ограничены: со временем они теряют прозрачность, подвержены деградации под действием света и тепла, а также постепенно теряют яркость из-за процессов выгорания. Чем меньше их толщина, тем выше прозрачность, но обеспечить при этом стабильную яркость оказывается трудно. Это подталкивает ученых к поиску новых материалов, способных решить задачу создания тонких, прозрачных, но при этом стабильных и ярких светящихся структур.
Двумерные полупроводники: новые горизонты
Одним из самых перспективных классов материалов для подобных задач считаются двумерные кристаллические полупроводники, например, слоистые материалы на основе соединений переходных металлов и халькогенов, в частности — диселенид молибдена (MoSe2). Они отличаются минимальной толщиной, высокой прозрачностью и впечатляющей прочностью. Однако у двумерных полупроводников долгое время оставалась низкой квантовая эффективность: меньшая 1%, что делало их использование в ярких оптоэлектронных устройствах затруднительным. Такая эффективность ниже минимально необходимой приблизительно в 100 раз, чтобы реализовать практические приложения в отрасли.
Уникальная конструкция: MoSe2 и золотые наноструктуры
Для преодоления этого барьера исследовательская группа ИТМО и POSTECH объединила в единую структуру монослой MoSe2 с массивом из наноскопических щелевых антенн, выполненных из золота, которые формируют так называемую плазмонную метаповерхность. Эта метаповерхность поддерживает два типа резонансов: они усиливают друг друга и значительно увеличивают световой отклик тончайшего полупроводникового слоя. За счет электрического и оптического взаимодействия между слоями удалось достичь поразительного результата — излучение структуры стало ярче в 1600 раз по сравнению с обычным монослоем того же полупроводника.
Экспериментально полученный элемент показал, что диаметр светящейся области достигает 25–30 микрон, что соотносится с размером одного пикселя в стандартных телевизионных дисплеях. Площадь излучения при освещении лазером в один микрон составила 800 квадратных микрометров, являясь идеальным решением для сверхкомпактной, но эффективной элементной базы будущих дисплеев.
Минимальная толщина и рекордная долговечность
Одна из наиболее впечатляющих характеристик нового элемента — его толщина. Активный слой MoSe2 занимает всего 0,7 нанометра, а вся конструкция, включая метаповерхность, насчитывает примерно 30 нанометров. Это в сотни раз тоньше человеческого волоса, что существенно упрощает интеграцию решения в современные тонкопленочные структуры. Более того, кристаллическая природа материала гарантирует его стойкость к разрушению и старению под действием света и электрических токов. В отличие от органических OLED, срок службы нового элемента практически не ограничен, что открывает перспективу создания долгоживущих и надежных оптоэлектронных систем.
Планы по масштабированию и новые возможности
Сейчас прототипы таких светоизлучающих элементов активируются лазерным пучком. Тем не менее, коллектив Василия Кравцова работает над модификацией конструкции для электрической активации, то есть возможности зажечь элемент обычным электрическим импульсом. Это не только приблизит практическое внедрение инновации в серию, но и позволит интегрировать ее в существующие электронные и оптоэлектронные устройства, повысив их эффективность и надежность.
Для дальнейшего увеличения яркости и эффективности ученые рассматривают вариант создания мультислоеных гетероструктур, где несколько слоев MoSe2 чередуются с различными материалами. Такие продвинутые конструкции обещают еще большую яркость, расширенные возможности по обработке оптической информации, а также потенциал для создания устройств с расширенными функциональными возможностями — например, для одновременного хранения, детектирования и передачи фотоэлектрических сигналов.
Оптимистичный взгляд в будущее оптоэлектроники
Прорывная разработка ИТМО и POSTECH, в создании которой принимал участие Василий Кравцов, обещает совершить настоящую революцию в технологиях современных дисплеев и оптоэлектроники. Ультратонкий и яркий элемент на основе MoSe2 не только задает новые стандарты долговечности и яркости, но и открывает широкие перспективы для миниатюризации компонентов, снижения энергопотребления и удешевления серийного производства. Новое решение, поддержанное программой «Приоритет 2030», уже сегодня вдохновляет специалистов на создание оптических приборов завтрашнего дня, а в самом ближайшем будущем, с переходом к электрической активации и масштабированию, может стать повсеместным стандартом для экранов, голографических систем и носимых устройств.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО.
Источник фото: ru.123rf.com
