Riccardo Ollearo. Kredit: TU/e, Bart van Overbeeke.

Fotodiody jsou polovodičová zařízení citlivá na záření, která generují elektrický proud, když absorbují fotony. Využívají se jako senzory v nespočtu různých aplikací, od medicíny až po strojové vidění. Ve většině případů je důležité, aby takový senzor byl co nejvíce citlivý.

Riccardo Ollearo z nizozemské Eindhoven University of Technology a jeho spolupracovníci vyvinuli novou fotodiodu, která je extrémně citlivá v oblasti blízce infračerveného záření. Využívá technologii podobnou pokročilým solárním článkům a dosahuje ohromující účinnosti přes 200 procent.

Detekce srdečního tepu a frekvence dechu. Kredit: TU/e, Riccardo Ollearo.

Na první pohled to vypadá jako nesmysl. Nebo magie. Jak ale vysvětluje René Janssen z týmu tvůrců fotodiody, v tomto případě nejde o klasickou účinnost přeměny energie. Je řeč o kvantové účinnosti (quantum efficiency), která bere v potaz počet fotonů, konvertovaných fotodiodou na elektrony. Vyšší účinnost znamená, že dioda je citlivější a lépe detekuje slabé záření.

Aby fotodioda dobře fungovala, musí si poradit se dvěma věcmi. Musí co nejvíce potlačit takzvaný temný proud (dark current), který fotodioda vytváří, přestože na ní nedopadá záření. A rovněž musí dobře rozlišit detekované infračervené záření od světelného šumu v prostředí.

Detail průlomové fotodiody. Kredit: TU/e, Bart van Overbeeke.

Ollearo kvůli tomu vytvořil velmi tenkou tandemovou diodu, která obsahuje perovskit a zároveň organické fotovoltaické články. Tyto materiály se dnes stále častěji společně objevují v pokročilých solárních článcích. Badatelé s jejich pomocí vyladili jak temný proud, tak i vliv světelného šumu. Díky této stavbě fotodiody dosáhli účinnosti 70 procent, která je slušná, ale ne šokující. Zásadní zvrat přineslo použití zeleného světla, kterým ozářili diodu. K překvapení badatelů to fungovalo ještě mnohem lépe, než původně čekali. Nakonec se dostali na účinnost (opět quantum efficiency) přes 200 procent.

Je ironií, že badatelé vlastně přesně nevědí, jak jejich fotodioda funguje. Není jasné, proč zelené záření tak významně posiluje fungování fotodiody. Badatelé mají teorii, podle které zelené záření vyvolává hromadění elektronů ve vrstvě perovskitu. Pokud se nepletou tak tím vlastně vzniká zásobník elektronů, které se uvolňují, když organická vrstva fotodiody absorbuje detekované fotony blízce infračerveného záření.

Ollearo a spol. novou fotodioidu otestovali v osluněné místnosti s částečně zataženými závěsy. Zkusili, jestli zvládne detekovat srdeční tep z prstu vzdáleného 130 cm a frekvenci dechu ze stejně vzdáleného hrudníku. V obou případech byl test naprosto úspěšný. Vývoj fotodiody pokračuje a badatelé se poohlížejí po možnosti klinických testů kvůli využití v medicíně.

Literatura

Eindhoven University of Technology 17. 2. 2023.

Science Advances 17. 2. 2023.