В мире науки и технологий бурно развиваются исследования, направленные на создание эффективных фоточувствительных материалов, которые могут не только применяться в солнечных элементах, но и стать основой для "прозрачной" электроники будущего. Один из таких перспективных материалов — оксид цинка — в центре внимания ученых.

Междисциплинарная команда исследователей, включая опытных ученых и молодых аспирантов из Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ, а также Химического факультета ЮФУ, под руководством профессора Виктора Петрова и доцента Екатерины Баян, занимается разработкой тонких пленок на основе оксида цинка с добавками оксида кобальта или алюминия. Активное участие в исследовании принимают аспиранты Александра Иванищева, Мария Волкова, Ирина Гуляева, Ирина Игнатьева, а также доцент ИНЭП Юрий Варзарев. Предыдущие исследования этой группы выявили, что даже небольшие добавки (в пределах 0,5-3%) влияют на структуру и свойства пленок, открывая двери к многообещающим применениям.

В рамках недавного исследования, результаты которого опубликованы в журнале «Nanomaterials», ученые выполняли следующую задачу – поиск простого, недорогого и в то же время перспективного метода синтеза тонких пленок, а также подбор оптимальных электрофизических параметров для будущего фоточувствительного элемента. По итогам работы были созданы композиты Co₃O₄-ZnO, обладающие уникальными свойствами: они обеспечивают контролируемое изменение электрофизических, оптических и фотоэлектрических характеристик. Это позволило исследователям создать фоточувствительные резисторы ультрафиолетового и видимого диапазонов с поразительно коротким временем отклика в 26 миллисекунд. Более того, алюминиевые пленки Al-ZnO обладают высокой оптической прозрачностью в видимом диапазоне света, достигая 94%, что делает их идеальным материалом для различных оптических устройств. Данная работа поддержана грантом РНФ 22-29-00621.

«Создание таких материалов — это лишь первый шаг. Нам удалось не только достичь высокой фоточувствительности, но и обеспечить материалы высокой оптической прозрачностью, что открывает новые перспективы для солнечных элементов и устройств "прозрачной" электроники», – рассказал д.т.н., профессор кафедры техносферной безопасности и химии ИНЭП ЮФУ Виктор Петров.

Созданные учеными тонкие пленки были синтезированы с применением запатентованного в ЮФУ низкотемпературного твердофазного пиролиза. Этот метод позволяет создавать пленки толщиной от 30 нм до 600 нм. С помощью коллег из других подразделений ЮФУ, ученые провели обширное исследование полученных пленок, используя методы рентгеновской дифракции, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и Кельвин-зондовой силовой микроскопии. Также были изучены электрофизические и фотоэлектрические свойства на уникальных исследовательских установках, специально разработанных инженерами и сотрудниками ИНЭП.

«Для нас каждый этап исследования по-своему интересен, но, пожалуй, самое захватывающее — это видеть структуру и морфологию полученного материала, а потом результат применения этого материала в датчиках», – отметил Виктор Петров.

Исследователи сообщают, что в мире существует множество новых фоточувствительных материалов. Однако материал, разработанный в Южном федеральном университете, отличается тем, что обладает чувствительностью к свету как в ультрафиолетовом, так и в видимом диапазоне с высокой скоростью реакции. Кроме того, ученые достигли возможности создания оптически прозрачных пленок. Преимущество таких материалов заключается в возможности контролировать не только оптические, но и электрофизические свойства, что позволяет получать материалы с заданными характеристиками для конкретных приборов и устройств.

Полученные материалы и разработанные на их основе приборы не уступают своим мировым аналогам. Следует отметить, что результаты исследований были опубликованы в 2022-2023 годах в журналах, имеющих квартиль Q1 (Sensors, Nanomaterials) и Q2 (Physica Scripta),  и в российском журнале «Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки».

Будущие исследования ученых будут посвящены созданию тонких пленок на основе оксида цинка, легированного ионами различных металлов, таких как медь и никель. Они также планируют исследовать оптические, электрические, каталитические и газочувствительные свойства новых материалов с использованием методов математического моделирования, чтобы оценить их потенциал в солнечных элементах и других высокотехнологичных устройствах будущего.

Справочно:

"Прозрачная" электроника — это направление в электронике, которое ориентировано на создание электронных устройств и компонентов, способных функционировать без потери видимости устройства или панели, на которых они установлены. Это означает, что электронные компоненты, такие как транзисторы, светодиоды, сенсоры и другие устройства, изготавливаются из материалов, которые пропускают видимый свет.

Прозрачная электроника имеет множество потенциальных применений, включая:

— Прозрачные дисплеи: электронные устройства, такие как смартфоны, часы и панели управления, могут иметь прозрачные дисплеи, что делает возможным отображение информации без блокировки видимости устройства.

— Прозрачные солнечные батареи: Солнечные элементы, способные генерировать энергию из солнечного света, могут быть интегрированы в окна зданий и другие прозрачные поверхности.

— "Умные" очки и контактные линзы: прозрачная электроника может использоваться для создания "умных" очков, контактных линз и других устройств дополненной реальности.

— Прозрачные сенсорные панели: применение в сенсорных устройствах, таких как сенсорные экраны, в которых сенсоры интегрированы в прозрачные поверхности, делая устройства более удобными и эстетичными.

— Медицинская электроника: прозрачные электронные устройства могут использоваться в медицинских приборах и мониторинге здоровья, обеспечивая незаметное и удобное наблюдение за пациентами.

— Электроника в автомобилях: прозрачная электроника может быть встроена в автомобильные окна и приборные панели для создания современных и удобных интерфейсов.

Текст: Сопрунова Ю.Г.