Тандем светоизлучающих диодов поможет превратить инфракрасное излучение в видимое

Вадим Агафонов из МФТИ совместно с иностранными коллегами предложил способ превращать инфракрасное излучение в видимое. Ему удалось добиться крайне высокой эффективности своего устройства — КПД составил почти 30 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Material Horizons. Длина волны излучения обратно пропорциональна его энергии: более высокоэнергетическое излучение имеет меньшую длину волны, а низкоэнергетическое — длинную. Человеческий глаз различает диапазон длин волн от 380 до 780 нм. Самый низкоэнергетический из видимых цветов — красный (630 нм и более), а самый высокоэнергетический — фиолетовый (450 нм и менее). Излучение с энергией ниже, чем у красного — инфракрасное излучение (ИК) — для человеческого глаза невидимо, а наша кожа воспринимает его как тепло. Иногда необходимо сделать такое излучение визуально различимым — например, таким образом работают приборы ночного видения. Эта задача достаточно сложна, так как она требует сделать излучение более коротковолновым, то есть повысить энергию его фотонов. Группа Вадима Агафонова предложила использовать для таких преобразований комбинацию поглощающего полимерного слоя с двумя органическими светоизлучающим диодами (organic light-emissing diod, OLED). В результате им удалось преобразовать так называемый «ближний» ИК (то есть не сильно отличающийся по энергии от видимого света) с длиной волны 850 нм в видимое излучение зеленого цвета с длиной волны 530 нм. Комбинации поглощающего полимера с OLEDами уже использовали ранее для подобных целей. Принцип их работы несложен: сначала в полимерном слое поглощается фотон, затем полученная энергия выбивает электрон из валентной зоны, образуя пару из свободного электрона и дырки (положительно-заряженной частицы). Затем полученная дырка через специальный транспортный слой попадает в светоизлучающую часть диода. Здесь она рекомбинирует с другим электроном, в результате чего диод испускает фотон. Подбирая материалы с различным электронным строением, можно добиться «выбивания» фотонов с большей энергией, чем у поглощенных. Авторы новой работы предложили использовать сразу два диода, расположенных друг за другом. Такой тандем работает по принципу фотоумножителя электронов и повышает эффективность устройства — отношение испущенных фотонов к поглощенным составило 29,6 процентов, в то время как в самых лучших преобразователях с одним OLEDом, оно не превышало 10 процентов. При этом на свойства излучаемого света «сдваивание» никак не повлияло — его спектр выглядел в точности так же, как в случае одиночного диода Авторы сравнили работу своего устройства с коммерчески доступным преобразователем «ближний» ИК на основе редкоземельных элементов. Новый детектор показал гораздо лучшие характеристики, в особенности чувствительность к низким интенсивностям света.