Сотрудники Томского политехнического университета вместе с китайскими коллегами получили механическим шелушением двумерный материал из природного минерала аурипигмент, представляющего собой трисульфид мышьяка, и обнаружили в нём уникальный фотоотклик. Под воздействием даже слабого белого 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 фотоприёмных устройствах. Механизм процесса здесь другой. При воздействии света в двумерном материале происходит перераспределение зарядов — образуются локализованные экситоны. Так называются связанные пары электрон-дырка, которые притягиваются друг к другу электростатической кулоновской силой. В результате моделируется поверхностный электрический потенциал величиной до 80 мВ без возникновения свободных носителей заряда. Традиционно же фотоотклик в двумерных материалах возбуждается посредством генерации фототока, когда разделение носителей заряда, вызванное светом, приводит к появлению электрического тока.
Полученный эффект на двумерном полупроводнике из трисульфида мышьяка открывает возможности для разработки энергоэффективных оптоэлектронных устройств — фототранзисторов и оптических переключателей нового поколения. Для сравнения, дисульфид молибдена — самый известный двумерный полупроводник — при тех же условиях не проявляет изменения поверхностного потенциала.
Для повышения чувствительности к свету исследователи создали гибридный материал, объединив ультратонкий слой трисульфида мышьяка (As2S3) с серебряными нанопроволоками (AgNW). Металлические наночастицы используют в фотокатализе, сенсорике и оптоэлектронике для усиления взаимодействия света с веществом — с их помощью стимулируют оптоэлектронный отклик и улучшают фотокаталитические характеристики 2D-материалов. Комбинация As2S3-AgNW, как показали эксперименты, увеличивает фотокаталитическую активность нанопроволок на 71%.
В дальнейшем планируется изучить свойства ультратонких слоёв других минералов, добываемых в России, а также свойства комбинаций разных двумерных материалов.
Работа выполнена в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030». Результаты опубликованы в журнале Applied Materials Today.
По информации пресс-службы Томского политехнического университета.
Фото предоставлены пресс-службой ТПУ.
