Изображение. Падение инфракрасного излучения (красный луч) на детектор заставляет ниобат лития (серый слой) генерировать электрическое поле, и у однослойных углеродных нанотрубок между двумя золотыми контактами меняется электрическое сопротивление — это сигнал, что излучение зарегистрировано. Источник: Serebrennikova et al. (2026) Opto-Electronic Advances 9(5), 260019
Учёные из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) предложили способ регистрировать инфракрасное излучение в широком диапазоне без охлаждения детектора, что сделает экономичнее и компактнее бесконтактные термометры в медицине и промышленности, датчики пожарной безопасности и газовые сенсоры. Поглощая излучение, плёнка однослойных углеродных нанотрубок в детекторе меняет свою электропроводность, причём этот эффект выражен в тысячи раз сильнее, чем в ранее использовавшемся в аналогичных детекторах графеновом слое. Исследование опубликовано в журнале Opto-Electronic Advances и поддержано грантом РНФ № 22-13-00436-П.
Датчики в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах используются в тепловизионных камерах и для дистанционного измерения температуры тела и объектов, например в промышленных процессах, при антиковидном контроле на массовых мероприятиях и мониторинге температуры помещения в целях противопожарной безопасности. В инфракрасной спектроскопии такие датчики нужны, чтобы определить состав газа или вещества, что позволяет быстро и бесконтактно анализировать материалы. Этот метод используется, в частности, при изготовлении лекарств и для контроля утечек газов на производстве. При передаче данных по оптоволокну сигналы тоже регистрируются именно в инфракрасном диапазоне.
«Поймать» инфракрасное излучение можно двумя типами устройств: фотонными или тепловыми детекторами. Первые — это дорогостоящие устройства на основе полупроводников. Они способны обеспечить высокую чувствительность в разных частях инфракрасного спектра, но для этого требуют охлаждения, что делает устройство более сложным, громоздким, дорогим и повышает энергопотребление. Вторые могут регистрировать широкий спектр инфракрасного излучения и работают при комнатной температуре, но тепловые шумы дают высокую погрешность измерений — именно на эту проблему направлено решение научной группы из Сколтеха.
Тепловой фотодетектор регистрирует свет за счёт изменения физических свойств чувствительного элемента. Графен, например, поглотив инфракрасное излучение, нагревается и меняет своё сопротивление, и по изменению электрического сигнала можно сделать вывод о температуре и поглощённом ИК-излучении. Но сам по себе этот эффект слишком слабый, поэтому графен совмещают с другим материалом, например с ниобатом лития, который при изменении температуры генерирует электрическое поле и тем самым многократно усиливает сигнал в графене.
«Проблема в том, что для многих применений чувствительности всё равно не хватает и детекторы недостаточно хорошо улавливают слабое излучение, — рассказала первый автор исследования, аспирант Сколтеха по программе „Физика“ Светлана Серебренникова. — Мы заменили графеновый слой в детекторе на однослойные углеродные нанотрубки. У них под воздействием электрического поля ниобата лития сопротивление при поглощении ИК-излучения изменяется в 10–100 тыс. раз сильнее, чем у графена. В результате мы получаем и высокую чувствительность, и детекцию при комнатной температуре в широком диапазоне ИК-излучения».
Ключ к такому отклику — в самой природе нанотрубок. В отличие от графена у полупроводниковых однослойных нанотрубок есть запрещённая зона, поэтому их проводимостью можно управлять электрическим полем подобно тому, как это происходит в транзисторе.
«Графен — прекрасный проводник, но именно поэтому он плохо „переключается“: у него нет запрещённой зоны, и электрическое поле почти не меняет его проводимость, — пояснил соавтор работы, доцент Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Юрий Гладуш. — У полупроводниковых нанотрубок запрещённая зона есть, и слабое поле, которое ниобат лития создаёт при нагреве, резко меняет сопротивление сетки — на четыре-пять порядков. По сути, наш детектор работает как пироэлектрический фототранзистор: тепло от поглощённого света превращается в управляющий сигнал. При этом нанотрубки обладают чувствительностью в широком диапазоне — от видимого света до дальней инфракрасной и даже терагерцовой области — что открывает возможности для создания более универсальных широкополосных приёмников».
