Ученые НГУ разработали антиотражающие покрытия со свойствами метаповерхностей

Научные сотрудники Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурируемые материалы» Физического факультета Новосибирского государственного университета (АТИЦ ФФ НГУ) создали антиотражающие покрытия из нанодисков германия в слое оксида индий-олова. Новый тип покрытий обладает свойствами метаповерхностей с особыми оптическими свойствами. Они используются в фотоэлектронных преобразователях, например, в солнечных элементах и фотодетекторах. 

Метаповерхности – это поверхностные слои материала, обладающие необычными свойствами, которые не встречаются в природе, а искусственно создаются в лабораторных условиях и обладают особыми оптическими свойствами. Изучать метаматериалы в мире начали более десяти лет назад, но получить качественные лабораторные образцы смогли только недавно благодаря современному оборудованию. 

– Обычно метаповерхности создаются в виде покрытий из наночастиц металла или диэлектрика. Нами в качестве диэлектрика использовался германий, который обладает большим показателем преломления, что является принципиально важным. Покрытия из наночастиц германия служат не только как антиотражающие, но, что более важно, изменяют направление проходящего света, направляя его значительную часть вдоль поверхности и под малыми углами к ней.  Нами изготовлены образцы с такими покрытиями и впервые количественно исследованы направления распространения рассеянного света, — рассказал ведущий научный сотрудник Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники АТИЦ ФФ НГУ Александр Шкляев.  

Было установлено, что при использовании изготавливаемых покрытий вдоль поверхностных слоев подложки распространяется около 10% падающего света, а под малыми углами к поверхности ~ 30-40% в зависимости от спектрального диапазона. Покрытия с такими свойствами могут существенно повысить эффективность тонкопленочных фотоэлектронных преобразователей. При использовании традиционных покрытий в виде сплошных диэлектрических плёнок проходящий через них свет практически не изменяет направление своего распространения. При этом значительная часть света, падающего на тонкие пленки, может легко пройти через них, не испытывая поглощения. Если же свет изменит направление и станет двигаться вдоль слоев, вероятность его поглощения возрастает. Поглощение света приводит к созданию электронно-дырочных пар. 

Таким образом, покрытия в виде массивов диэлектрических частиц субволнового размера будут эффективнее для тонкопленочных фотоэлектронных преобразователей по сравнению с покрытиями в виде сплошных диэлектрических пленок. В фотодетекторах возможность увеличения количества свободных носителей тока при одинаковой дозе облучения увеличивает их чувствительность, тогда как в солнечных элементах это приводит к большему накоплению электрического заряда на электродах. Антиотражающие покрытия из компактных диэлектрических частиц не закрывают поверхность полностью, оставляя её большую часть открытой. Такая форма указывает на их перспективность и для использования в фотохимии. Возможность увеличения возбужденных поверхностных состояний при поглощении света повышает скорости химических реакций в фотохимических процессах, в частности, в катализе. 

— Теперь нам предстоит показать на конкретных примерах солнечных элементов и фотодетекторов, что применение создаваемых нами антиотражающих покрытий действительно приводит к улучшению характеристик данных устройств. Также было бы важным исследовать протекание фотохимических реакций с применением таких покрытий и установить, повысится ли при этом их эффективность, — сказал Александр Шкляев.