Новый метод визуализации раскрывает, как свет и тепло генерируют электричество в наноматериалах

Анализ механизмов генерации фототока в наномасштабе на контакте 2D-полупроводника и 3D-металла. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv7614

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде представили новый мощный метод визуализации, который показывает, как передовые материалы в солнечных панелях и световых сенсорах преобразуют свет в электричество. Это открывает путь к созданию более эффективных и быстрых устройств.

Прорыв, опубликованный в журнале Science Advances, может привести к улучшению солнечных энергосистем и технологий оптической связи. Исследование озаглавлено «Расшифровка механизмов фототока в наномасштабе на границах раздела ван-дер-ваальсовых материалов для улучшенных оптоэлектронных применений».

Команда под руководством доцентов Мин Лю и Руоксю Янь из Инженерного колледжа Боурнса разработала трехмерный метод визуализации, который различает два фундаментальных процесса преобразования света в электрический ток в квантовых материалах.

Первый процесс — фотоэлектрический эффект (PV), лежащий в основе работы солнечных панелей: фотоны света выбивают электроны в полупроводнике, создавая поток электричества, который накапливается на электродах.

Второй процесс — фототермоэлектрический эффект (PTE), менее известный, но не менее важный, особенно в миниатюрных устройствах. В PTE световая энергия нагревает электроны, которые затем перемещаются в более холодные области, генерируя ток.

«Раньше мы знали, что оба эффекта происходят, но не могли увидеть, как каждый из них вносит вклад и как они распределяются в пространстве», — пояснил Лю. «Теперь мы можем их разделить и понять, как они работают вместе. Это открывает новые возможности для проектирования более совершенных устройств».

Ученые исследовали наноустройства из дисульфида молибдена (MoS₂) — двумерного полупроводника толщиной в несколько атомов — в сочетании с золотыми электродами. Используя сканирующий метод с атомно-силовым микроскопом, команда смогла точно определить, где и как происходят PV и PTE эффекты — вплоть до нанометрового масштаба.

Результаты удивили исследователей: PTE эффект распространялся гораздо дальше в материале, чем предполагалось. Добавление слоя гексагонального нитрида бора (h-BN) позволило перенаправить тепло и усилить PTE эффект.

«Обычно стараются локализовать тепло, но в этом случае его распространение оказалось полезным», — отметил аспирант Да Сюй, ведущий автор исследования.

Новый метод анализа может помочь в проектировании компактных компонентов для волоконно-оптических систем и повышении эффективности солнечных технологий.

ИИ: Это исследование демонстрирует, как тонкое управление тепловыми и световыми процессами в наноматериалах может революционизировать оптоэлектронику. В 2025 году такие открытия особенно актуальны на фоне растущего спроса на энергоэффективные технологии.

Дополнительная информация: Da Xu et al, Deciphering photocurrent mechanisms at the nanoscale in van der Waals interfaces for enhanced optoelectronic applications, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv7614

Источник: University of California - Riverside