Технология длинноволнового инфракрасного зондирования обладает ключевой прикладной значимостью в военной, медицинской и промышленной сфере безопасности; её спектральный диапазон весьма хорошо совпадает с пиком теплового излучения объектов при комнатной температуре, что делает её решающим фактором для реализации неохлаждаемой тепловизионной технологии. В настоящее время оксид ванадия и аморфный кремний, благодаря своим выдающимся коэффициентам температурного изменения электрического сопротивления и регулируемому удельному сопротивлению, уже стали основными термочувствительными материалами для неохлаждаемых инфракрасных фокусных плоскостных матриц. Однако научное сообщество продолжает искать более высокоэффективные заменители; диселенид палладия (PdSe2), как перспективный двумерный полупроводник, благодаря своей настраиваемой ширине запрещённой зоны в зависимости от числа слоёв, высокой химической стабильности и отличной совместимости с низкопотребляющими CMOS‑технологиями задней части микросхемы, рассматривается как идеальная платформа для разработки следующего поколения высокопроизводительных и недорогих инфракрасных детекторов.

Несмотря на огромный потенциал диселенида палладия, его практическое применение по‑прежнему сталкивается с серьёзными трудностями, связанными с компромиссами между различными эксплуатационными характеристиками. Ультратонкие плёнки PdSe2, обладая высоким температурным коэффициентом сопротивления, чрезвычайно чувствительны к адсорбции газов из окружающей среды; увеличение толщины, хотя и повышает стабильность, одновременно приводит к быстрому снижению температурного коэффициента сопротивления, что ограничивает термочувствительность устройств. Кроме того, введение таких структур, как золотые наночастицы, способно усиливать инфракрасное поглощение за счёт фототермического эффекта, однако традиционные физические методы обработки отличаются высокой стоимостью, а химические подходы легко приводят к поверхностному загрязнению. Таким образом, вопрос о том, как, сохраняя целостность материала, преодолеть противоречие между толщиной и чувствительностью и обеспечить масштабируемое производство, остаётся ключевым технологическим узким местом данной области — именно это и является основной причиной исследований, направленных на оптимизацию фототермоэлектрических свойств двумерных материалов с помощью стратегий модификации «in situ».

В ответ на указанные выше проблемы команда, в состав которой входят сотрудники Университета электронных наук и технологий, провела комплексное исследование с использованием DMD‑литографического аппарата без маски компании «ZEPTOOLS». Команда, разработав стратегию модификации наночастицами золота in situ и применив магнитоконтролируемое совместное распыление в сочетании с низкотемпературной селенидацией, успешно преодолела фундаментальный компромисс между тонкостью палладиевого диселенида и его характеристиками инфракрасного детектирования.

Заголовок: Многослойные пленки PdSe2 с наночастицами золота, расположенными in situ, для повышения чувствительности болометрической фотодетекции
Журнал: ACS Прикладные материалы и интерфейсы
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1021/acsami.6c02930

Настоящее исследование, посвящённое проблеме компромисса между ключевыми характеристиками двумерных плёнок диселенида палладия в области инфракрасного детектирования, предлагает масштабируемый подход к получению высокопроизводительных материалов. Исследователи с помощью магнетронной совместной распылительной технологии нанесли на подложку из диоксида кремния предшественник золото‑палладиевого сплава; затем, применяя низкотемпературную термоселенидацию при 300 °C, они инициировали реакционно‑усилённый фазовый переход, что позволило in situ вырастить в многослойных плёнках диселенида палладия равномерно распределённые наночастицы золота. Такая стратегия модификации «in situ» не только обеспечивает точный контроль концентрации введённых золотых частиц, но и позволяет избежать высоких затрат традиционных физических методов литографии, а также потенциального поверхностного загрязнения, характерного для химических растворных процессов, тем самым закладывая материальную основу для получения сверхтонких термочувствительных плёнок толщиной менее 15 нм с высокой химической стабильностью.

В процессе создания высокопроизводительных инфракрасных детекторов точность формирования рисунка непосредственно определяет однородность детектирующих пикселей и качество их отклика. Исследовательская группа при изготовлении подвесной кремниевой плёнки из нитрида кремния для измерений инфракрасного поглощения, а также в последующих этапах сложной обработки массива, с высокой точностью использовала безмасочную литографическую систему DMD компании Zeyou Technology для задания топологии цепей и формирования окон. Благодаря чрезвычайно гибкому цифровому методу экспозиции данное оборудование последовательно выполнило на подложке из кремния выделение каналов с модификацией золотыми наночастицами, расстановку линейных электродов и совмещённую обработку многослойных изоляционных диэлектриков, обеспечив структурную целостность устройства на микрометровом масштабе. Благодаря графической поддержке, предоставляемой безмасочной литографической системой DMD, весь технологический процесс может строго осуществляться при температуре ниже 300 °C, что подтверждает крайне высокую совместимость данной технологической линии с конечными стадиями стандартной технологии КМОП‑производства.

Проведённая электрическая характеристика тонких плёнок с различной концентрацией золота позволила установить, что их температурный коэффициент сопротивления изменяется по неоднозначному закону и достигает оптимального значения — минус 2,28 на кельвин — при концентрации золота 11%. Этот эффект можно объяснить конкурентной моделью, включающей влияние инженерии границ зерен и кулоновской экранировки: в нужных количествах наночастицы золота во время селенидирования выступают ингибиторами нуклеации, существенно уменьшая размер зерен диселенида палладия; повышение плотности границ зерен усиливает рассеяние носителей заряда, что приводит к увеличению эффективного барьера Шоттки. Однако при слишком высокой концентрации наночастиц золота и их близком расположении друг к другу возникает выраженный электростатический экранирующий эффект, вследствие которого высота барьера на границах зерен снижается, а температурный коэффициент сопротивления вновь уменьшается.

На основе оптимизированной материальной системы исследовательская группа успешно разработала инфракрасный детектор с высоким тепловым разрешением: его температурное разрешение достигает 11,8 мК, что свидетельствует о чрезвычайно высокой чувствительности к тепловому излучению. При облучении инфракрасным излучением длиной волны 9,3 мкм устройство с концентрацией золота 34% демонстрирует высокий коэффициент响应ности — 2,9 А/Вт, а коэффициент детектирования составляет 5,1 × 10⁸ Джонсов, что значительно превосходит показатели необработанной исходной плёнки. В конечном итоге, благодаря интегрированной фокусирующей плоскостной матрице размером 8×8 пикселей, учёные при комнатной температуре и без охлаждения успешно получили термографические изображения высокой точности; это не только подтвердило огромный потенциал модификации плёнки диселенида палладия наночастицами золота в области длинноволнового инфракрасного детектирования, но и обеспечило техническую поддержку для разработки нового поколения недорогих интегрированных систем термовизирования.

Технология ZML компании ZeYou — это безмасочная литографическая система на основе DMD‑чипов, в которой традиционные маски заменены на DMD‑модули. Она позволяет быстро и гибко формировать литографические рисунки, поддерживает двумерную литографию и 8‑битную градацию серого, удовлетворяя требованиям литографии с разрешением в диапазоне от нескольких микрон до десятков микрон, и широко применяется в таких областях, как MEMS, микрофлюидика и других.