Написано AZoNano

[1945952019

Российские исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) и Физико-технического института Валиева продемонстрировали резонансное поглощение терагерцового излучения в коммерчески доступном графене. Это важный шаг на пути к созданию эффективных терагерцовых детекторов, которые позволили бы ускорить Интернет и обеспечить безопасную замену рентгеновского сканирования тела. Результаты исследований были опубликованы в Physical Review Applied .

Графеновая оптоэлектроника

С тех пор как Андре Гейм и Костя Новоселов получили Нобелевскую премию по физике 2010 года за изучение уникальных электронных свойств графена, интерес к этому материалу никогда не ослабевал. Графен действительно двумерный: он состоит из слоя углерода толщиной в один атом, что является одной из причин, почему его свойства настолько удивительны. Он тонкий, но механически прочный, непроницаемый даже для атомов гелия и очень хорошо проводит электричество и тепло. Высокая подвижность электронов в графене делает его перспективным материалом для сверхбыстрых фотоприемников, в том числе работающих в терагерцовом диапазоне.

ТГц излучение, также известное как Т-волны, одинаково трудно генерировать и обнаруживать. Это породило понятие «терагерцовая щель», которое относится к полосе частот примерно 0,1-10 ТГц в электромагнитном спектре. В этом диапазоне нет эффективных устройств для генерации и обнаружения излучения. Тем не менее, Т-волны очень важны для человечества: они не наносят вреда организму и поэтому могут заменить рентгеновские лучи в медицинских исследованиях. Кроме того, T-волны могут сделать Wi-Fi намного быстрее и открыть плохо изученную полосу космического излучения для астрономических исследований.

Несмотря на большой потенциал графена для фотодетектирования, его монослой сам по себе поглощает только около 2,3% внешнего излучения, что недостаточно для надежного обнаружения. Одним из способов решения этой проблемы является сильная локализация поля вблизи графена, заставляющая электромагнитную волну связываться с графеновыми электронами и возбуждать резонансные колебания. Получающаяся коллективная волна электромагнитного поля и электронов проводимости известна как поверхностный плазмон. Соответствующее явление плазмонного резонанса – усиленное поглощение света из-за возбуждения поверхностных плазмонных волн.

К сожалению, это явление не наблюдается в сплошном листе проводника, освещенного плоскими волнами. Длина волны плазмона слишком мала по сравнению с длиной волны фотона, поэтому эти две волны вряд ли могут быть синхронными. Чтобы устранить это несоответствие, над графеновой пленкой помещают металлическую решетку. Он напоминает крошечный гребешок с зубами на расстоянии менее микрометра.

Графен: ожидания против реальности

Десятки способов доступны для получения графена. Они различаются по качеству конечного продукта и трудоемкости. Исследователи, восхваляющие высокую подвижность электронов в графене, часто принижают, насколько труден этот материал для производства.

Графен высочайшего качества получают путем механического отшелушивания. Это включает размещение кусочка графита между двумя клейкими лентами, которые затем сдирают все более тонкие слои за несколько итераций. В какой-то момент появляются фрагменты графена, то есть монослойного графита. Такой «ручной» графен обладает лучшими характеристиками для применяемых устройств, таких как детектор резонансных Т-волн на основе капсулированного графена, созданный исследователями из МФТИ, Московского государственного педагогического университета и Университета Манчестера. К сожалению, графеновые чешуйки, полученные механическим отслоением, имеют ширину всего в несколько микрометров, их производство занимает несколько месяцев и в итоге оказывается слишком дорогим для разработки серийных устройств.

Существует более простой и масштабируемый альтернативный метод синтеза графена, называемый химическим осаждением из паровой фазы (ХОПФ). Он включает в себя разложение газов – обычно смесь метана, водорода и аргона – в специальной печи. Процесс приводит к образованию графеновой пленки на медной или никелевой подложке. Полученный графен имеет более плохие характеристики и больше дефектов, чем механически отслоившийся. Но в настоящее время CVD является технологией, наиболее подходящей для увеличения производства устройств.

Российские физики решили проверить, достаточно ли такого графена промышленного качества для ТГц-плазмонного резонансного возбуждения, что сделало бы его пригодным материалом для детекторов Т-волн.

«На самом деле, произведенная ХОПФ пленка графена не является однородной. Как поликристалл, он состоит из многочисленных слитых зерен. Каждый из них представляет собой упорядоченную область с полностью симметричным атомным рисунком. Границы зерна, наряду с дефектами, делают работу с таким графеном далеко не простой », – сказала соавтор исследования и аспирантка МФТИ Елена Титова .

Группе потребовалось более года, чтобы освоить работу с CVD-графеном в Центре совместных исследований Института. Тем временем коллеги из теоретического отдела лаборатории были убеждены, что плазмонный резонанс не будет наблюдаться. Причина в том, что резонансная видимость определяется так называемым добротностью, то есть сколько периодов проходит поле, прежде чем электрон сталкивается с дефектом решетки. Теоретические оценки предсказывают очень низкий добротность, ограниченную частыми электронно-дефектными столкновениями в CVD-графене. Тем не менее, высокая подвижность электронов в графене возникает не из-за нечастых столкновений электронов, а из-за малой массы электронов, что обеспечивает их быстрое ускорение до высокой скорости.

Теория и эксперимент

Несмотря на пессимистические теоретические предсказания, авторы статьи решили все же провести эксперимент. Их разрешение было вознаграждено: в спектрах поглощения обнаружены пики, указывающие на плазмонный резонанс в CVD-синтезированном графене.

«Дело в том, что не все дефекты одинаковы, и электроны сталкиваются с различными дефектами в измерениях постоянного тока и измерениях ТГц поглощения», комментирует научный руководитель Дмитрий Свинцов, который возглавляет лабораторию МФТИ 2D материалов для оптоэлектроники. «В эксперименте с постоянным током электрон неизбежно столкнется с границами зерен на пути от одного электрического контакта к другому. Но когда он подвергается воздействию Т-волн, он в основном будет колебаться в пределах одного зерна, вдали от его границ. Это означает, что дефекты, влияющие на проводимость постоянного тока, фактически «безопасны» для обнаружения зубца Т ».

Еще одна загадка была связана с частотой резонансного возбуждения плазмона, что не соответствовало ранее существующим теориям. Оказалось, что это связано с геометрией металлической решетки неожиданным образом. Исследователи обнаружили, что когда решетка расположена рядом с графеном, решетка (изображена оранжевым цветом на рисунке 1) изменяет распределение плазмонного поля. Это привело к локализации плазмонов под «зубьями гребня», края которых действовали как зеркала для плазмонов. Исследователи сформулировали очень простую теорию, описывающую явление, основанную на аналогии с моделью сильной связи из физики твердого тела. Теория хорошо воспроизводит экспериментальные данные, не прибегая к подгонке параметров, и может быть использована для оптимизации будущих детекторов зубца Т

.

Источник: http://www.mipt.ru/english/