Графеновый детектор обнаруживает поляризацию ТГц света

Графеновый детектор обнаруживает поляризацию ТГц света

Физики создали широкополосный детектор терагерцового излучения на основе графена. Устройство имеет потенциал для применения в системах связи и передачи информации нового поколения, а также в охранном и медицинском оборудовании. Исследование опубликовано в ACS Nano Letters .

Художественная визуализация фазочувствительного интерферометра терагерцового диапазона. Изображение предоставлено: Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Новый детектор основан на интерференции плазменных волн. Вмешательство как таковое лежит в основе многих технологических приложений и повседневных явлений. Он определяет звук музыкальных инструментов и вызывает цвета радуги в мыльных пузырях, а также многие другие эффекты. Интерференция электромагнитных волн используется различными спектральными устройствами, используемыми для определения химического состава, физических и других свойств объектов, в том числе очень удаленных, таких как звезды и галактики.

Плазменные волны в металлах и полупроводниках в последнее время привлекают большое внимание исследователей и инженеров. Как и более известные акустические волны, те, которые возникают в плазме, по сути, тоже являются волнами плотности, но они включают носители заряда: электроны и дырки. Их локальное изменение плотности приводит к возникновению электрического поля, которое подталкивает другие носители заряда, когда оно распространяется через материал. Это похоже на то, как градиент давления звуковой волны толкает частицы газа или жидкости во все расширяющуюся область. Однако в обычных проводниках плазменные волны быстро затухают.

Тем не менее, двумерные проводники позволяют плазменным волнам распространяться на относительно большие расстояния без затухания. Таким образом, становится возможным наблюдать их интерференцию, что дает много информации об электронных свойствах рассматриваемого материала. Плазмоника двумерных материалов превратилась в высокодинамичную область физики конденсированного состояния.

За последние 10 лет ученые прошли долгий путь в обнаружении ТГц излучения с помощью устройств на основе графена. Исследователи изучили механизмы взаимодействия T-волны с графеном и создали прототип детектора, характеристики которого не уступают характеристикам аналогичных устройств на основе других материалов.

Однако до сих пор в исследованиях не рассматривались детали взаимодействия детектора с четко поляризованными Т-лучами. При этом устройства, чувствительные к поляризации волн, могут быть использованы во многих приложениях. Исследование, представленное в этой статье, экспериментально продемонстрировало, как отклик детектора зависит от поляризации падающего излучения. Его авторы также объяснили, почему это так.

Соавтор исследования Яков Матюшкин из лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ прокомментировал: «Детектор состоит из кремниевой пластины размером 4 на 4 миллиметра и крошечного кусочка графена размером 2 на 5 тысячных миллиметра. . Графен соединен с двумя плоскими контактными площадками из золота, форма галстука-бабочки которых делает детектор чувствительным к поляризации и фазе падающего излучения. Кроме того, слой графена также встречается с другим золотым контактом наверху, между которыми проложен непроводящий слой оксида алюминия »

В микроэлектронике эта структура известна как полевой транзистор (рис. 1), с двумя боковыми контактами, обычно называемыми истоком и стоком. Верхний контакт называется воротами.

<img alt=" На вставке (a) показан вид устройства сверху с увеличенной чувствительной областью (b). Метки S, D и TG обозначают исток, сток и верхний затвор. Боковой разрез детектора показан на (c). В микрометре (мкм) 1000 нанометров (нм). "Src =" http://www.azonano.com/images/news/ImageForNews_37563_1602244727680551.png "style =" width: 512px; height: 247px; "width =" 512 "height =" 247 "/>

Рисунок 1. На вставке (а) показан вид устройства сверху с увеличенной чувствительной областью (b). Метки S, D и TG обозначают исток, сток и верхний затвор. Боковая часть детектора показана на (c). В микрометре (мкм) 1000 нанометров (нм). Изображение предоставлено: Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Терагерцовое излучение – это узкая полоса электромагнитного спектра между микроволнами и дальним инфракрасным светом. С точки зрения приложений, важной особенностью зубцов Т является то, что они проходят через живую ткань и частично поглощаются, но не вызывают ионизации и, следовательно, не причиняют вреда организму. Это отличает, например, ТГц излучение от рентгеновского.

Соответственно, областями применения Т-лучей являются медицинская диагностика и проверка безопасности. Детекторы ТГц используются также в астрономии. Еще одно развивающееся применение – передача данных на частотах ТГц. Это означает, что новый детектор может быть полезен при установлении стандартов связи следующего поколения 5G и 6G.

«Терагерцовое излучение направлено на экспериментальный образец перпендикулярно его поверхности. Это создает в образце фотоэдс, которое может быть снято внешними измерительными приборами через золотые контакты детектора », – прокомментировал соавтор исследования Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ. «Здесь важно то, каков характер обнаруженного сигнала. На самом деле она может быть разной и зависит от множества внешних и внутренних параметров: геометрии образца, частоты, поляризации и мощности излучения, температуры и т. Д. »

Примечательно, что в новом детекторе используется графен, уже производимый промышленностью. Графен бывает двух типов: материал можно либо механически расслоить, либо синтезировать путем химического осаждения из паровой фазы. Первый тип имеет более высокое качество, меньше дефектов и примесей и является рекордсменом по подвижности носителей заряда, что является важным свойством для полупроводников. Тем не менее, именно CVD-графен промышленность может масштабировать уже сегодня, что делает его предпочтительным материалом для устройств, стремящихся к массовому производству.

Другой соавтор исследования, Максим Рыбин из МФТИ и Института общей физики им. Прохорова РАН, является генеральным директором производителя графена Rusgraphene, и он сказал следующее о технологии: «Факт То, что мы наблюдали интерференцию плазменных волн именно в графене, полученном методом CVD, означает, что такие ТГц детекторы на основе графена пригодны для промышленного производства. Насколько нам известно, это первое наблюдение интерференции плазменных волн в графене CVD, поэтому наши исследования расширили потенциальные возможности промышленного применения этого материала ».

Команда показала, что природа фотоотклика нового детектора связана с интерференцией плазменных волн в канале транзистора. Распространение волны начинается с двух противоположных концов канала (рис. 2), а особая геометрия антенны делает устройство чувствительным к поляризации и фазе детектируемого излучения. Эти особенности означают, что детектор может оказаться полезным при построении систем связи и передачи информации, работающих на ТГц и суб-ТГц частотах.

<img alt=" Схематическое изображение распространения плазменной волны в канале транзистора. "Src =" http://www.azonano.com/images/news/ImageForNews_37563_16022447376487871.png "style =" width: 512px; height: 292px; "width =" 512 "height =" 292 "/>

Рисунок 2. Схематическое изображение распространения плазменной волны в канале транзистора. Изображение предоставлено: Яков Матюшкин и др. / ACS Nano Letters

Соавторами исследования, описанного в этой статье, являются исследователи из Лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ и их коллеги из Московского государственного педагогического университета, Института Иоффе Российской академии наук и Регенсбургского университета, Германия. Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований и Министерством науки и высшего образования России

Источник: https://mipt.ru/english/[19459008visible

Source link