Российские ученые создали модель сверхчувствительного датчика будущего
Исследователи из РТУ МИРЭА разработали компьютерную модель, которая поможет создавать фотодетекторы на основе двумерных материалов. Такие устройства можно использовать в самых разных областях — от медицинской диагностики до систем безопасности и космических технологий.
Фотодетекторы на основе двумерных материалов обладают невероятной чувствительностью к свету при толщине всего в несколько атомов. Однако их создание и оптимизация — сложная задача, требующая точного понимания физических процессов внутри материала. Ученые РТУ МИРЭА предложили решение: они разработали компьютерную модель для предсказания рабочих характеристик подобных устройств, которая объединяет расчеты поглощения света и движения электронов в материале.
«Наша модель работает как цифровой двойник реального устройства, она позволяет просчитать поведение электронов в ультратонких материалах под действием света, учитывая структурные дефекты, геометрические особенности и неидеальности материала, которые могут влиять на работу устройства. Это позволяет предсказывать поведение фотодетекторов с высокой точностью без необходимости проведения дорогостоящих экспериментальных исследований для каждого нового устройства», — рассказал один из разработчиков, старший научный сотрудник кафедры наноэлектроники РТУ МИРЭА, кандидат физико-математических наук Сергей Лавров.
Ключевая особенность разработки — комплексное трехмерное моделирование всей структуры фототранзистора, включая электроды и интерфейсы. Для валидации модели исследователи использовали хорошо изученный двумерный материал — дисульфид молибдена (MoS₂). Расчеты показали, что увеличение толщины материала в 10 раз (с 4 до 40 нм) приводит к тысячекратному росту фототока, что согласуется с экспериментальными данными. Совпадение расчетных и экспериментальных данных по целому ряду параметров подтверждает надежность модели и демонстрирует ее потенциал для проектирования и оптимизации высокочувствительных фотодетекторов.
«Практическое значение разработки заключается в возможности оптимизации параметров устройств еще на стадии проектирования. Модель позволяет инженерам подбирать оптимальную толщину материала, тип электродов и геометрию контактов для достижения максимальной чувствительности. Это особенно важно для промышленного производства, где каждый процент улучшения характеристик может существенно повлиять на конкурентоспособность готового изделия», — пояснил еще один автор работы Андрей Гуськов.
Разработка уже сейчас помогает решить одну из главных проблем наноприборов —нестабильность и непредсказуемость характеристик, обусловленную изменениями структуры материала. По мнению исследователей, созданная модель может стать основой для проектирования сверхчувствительных датчиков будущего.