• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
25.05.2023
ФизТех
3
3 356

Найдена золотая середина между графеном и классическими полупроводниками

4.6

Ученые МФТИ создали детектор терагерцового излучения на основе двухслойного графена, обладающий рекордной чувствительностью при криогенных температурах. Представленное устройство уже конкурентоспособно по сравнению с коммерческими болометрами на полупроводниках и сверхпроводниках. Ключом к успеху явилось использование двухслойного графена с небольшой шириной запрещенной зоны — этот материал оказался «золотой серединой» между однослойным графеном и классическими объемными полупроводниками.

Найдена золотая середина между графеном и классическими полупроводниками
Найдена золотая середина между графеном и классическими полупроводниками / ©Getty images / Автор: Никита Тарасов

Работа опубликована в журнале ACS Nano. Группа ученых из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ под руководством Дмитрия Свинцова разработала субтерагерцовый фотодетектор с рекордной чувствительностью при криогенных температурах. Работа показала, что открытие запрещенной зоны в двухслойном графене на порядок улучшает способность материала к «превращению» излучения в постоянный электрический ток. Возможно, данное исследование позволит установить универсальные требования к материалам для эффективного детектирования в терагерцовом диапазоне, так как это открытие можно применить не только к двухслойному графену, но и к другим двумерным материалам. Фундаментальные пределы чувствительности подобных материалов еще предстоит выяснить, но уже сейчас можно сделать вывод об эффективности материалов со средней запрещенной зоной (около 0,1-0,2 эВ) по сравнению с бесщелевым однослойным графеном, а также классическими полупроводниками с большой запрещенной зоной (порядка 1 эВ).

Терагерцовое излучение — это невидимое для глаз электромагнитное излучение с частотой примерно от 0,1 до трех ТГц (1ТГц = 10^12 Гц), что соответствует длинам волн от трех миллиметров до 100 мкм. Располагаясь между миллиметровым и микроволновым диапазонами, ТГц-излучение является своеобразной разграничительной чертой между двумя подходами к взаимодействию с излучением: электроникой (радиодиапазон — бо́льшая длина волны, меньшая частота, меньшая энергия) и фотоникой (инфракрасный и видимый диапазон, меньшая длина волны, бо́льшая частота, бо́льшая энергия излучения), которые при приближении к терагерцовому диапазону теряют свою эффективность.

Терагерцовый диапазон может быть использован для беспроводных широкополосных высокоскоростных систем связи, для медицинской визуализации, для безопасности, в спектроскопии, в астрофизических исследованиях, в измерительной технике и во многом другом. Ожидается, что следующая технологическая революция будет тесно связана с разработками в области терагерцовых технологий. Неудивительно, что в этой области исследований работает большое количество научных групп.

Расположение терагерцового диапазона на шкале электромагнитного излучения / ©Пресс-служба МФТИ

Графен давно вступил в «гонку за терагерцы» в качестве активного элемента для терагерцового детектирования и показывает хорошие результаты. Двухслойный графен, в отличие от бесщелевого однослойного, обладает уникальным свойством переменной запрещенной зоны в зависимости от величины поперечного электрического поля. При отсутствии внешнего поля двухслойный графен является бесщелевым полуметаллом (как и однослойный при любых полях), однако приложение поперечных электрических полей с двух затворов — сверху и снизу относительно листа графена — позволяет открывать запрещенную зону и менять концентрацию носителей в энергетических зонах, переводя графен в полупроводниковое состояние.

Группа ученых из МФТИ изначально ставила перед собой целью изучение туннельного терагерцового фотоотклика в двухслойном графене с открытой запрещенной зоной. Для этого коллектив лаборатории спроектировал и изготовил транзисторные устройства на основе двухслойного графена с несколькими затворами.

Авторы работы задумывали открыть запрещенную зону в двухслойном графене, индуцировать p-n переход в графеновом канале и исследовать туннельный фотоотклик. Туннельный транспорт действительно наблюдался в такой структуре, что стало видно из анализа сопротивления и фотосопротивления графеновых транзисторов, — эти результаты представлены в предыдущей статье научного коллектива лаборатории. Однако, изучая фотоотклик в таких графеновых транзисторах, ученые наткнулись на другой необычный эффект, намного более важный для практических задач по проектированию терагерцовых фотодетекторов, — улучшение всех характеристик фотодетектора в несколько раз с открытием запрещенной зоны в графене.

В литературе показаны примеры открытия запрещенной зоны в двухслойном графене вплоть до 200 мэВ. Авторы работы открыли запрещенную зону на порядок меньше, около 20 мэВ, и получили увеличение фоточувствительности минимум в три раза по сравнению с бесщелевым состоянием графена. Следует ожидать, что при еще бо́льшем открытии запрещенной зоны характеристики фотодетектора улучшатся минимум на порядок, хотя представленные в данной работе характеристики уже бьют сегодняшние рекорды по чувствительности и шумовым характеристикам субтерагерцовых криогенных детекторов: вольтаическая фоточувствительность RV = 50 кВ/Ватт, токовая фоточувствительность RI = 20 А/Ватт, эквивалентная мощность шума NEP = 40 фВ/Гц^(1/2). Следует отметить, что представленные учеными фотодетекторы абсолютно конкурентоспособны по сравнению с коммерческими болометрами на полупроводниках и сверхпроводниках.

Удивительно, но с открытием запрещенной зоны увеличивается не только чувствительность детектора по фотонапряжению. Повышается также и токовая чувствительность, что свидетельствует об улучшении внутренних выпрямляющих свойств материала с открытием запрещенной зоны. Кроме того, с открытием запрещенной зоны также уменьшаются шумы фотодетектора.

Слева — принципиальная электрическая схема субтерагерцового детектора на основе двухслойного графена. Большие контакты стока и истока (по краям) соединены с антенной, улавливающей излучение. Малые контакты затворов (по центру) создают своим полем p-n переход в канале транзистора. Фотонапряжение, образующееся при освещении прибора суб-ТГц-излучением, измеряется между крайними контактами. По центру — микрофотография готового устройства. Справа — зависимость потенциальной энергии электрона в канале фотодетектора от координаты (так называемая зонная диаграмма p-n перехода) / ©ACS Nano

«Нам кажется, что мы откопали ключ к эффективному терагерцовому фотодетектированию, так как вывод о влиянии запрещенной зоны на характеристики фотодетектора можно обобщить и на другие материалы. Слишком большая запрещенная зона осложняет способность собирать фотосигнал в электрической цепи, так как неизбежно выливается в большое контактное сопротивление. При слишком маленькой запрещенной зоне или ее отсутствии материал не так эффективно детектирует ввиду недостаточно сильной нелинейности в приборе. Как на горке с маленьким перепадом высот, предмет будет катиться очень медленно, а на слишком крутой — выходить из-под контроля. Получается, что наиболее эффективно искать золотую середину и использовать материалы с умеренной запрещенной зоной», — говорит Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.

Несмотря на все сложности, работа по «укрощению» ТГц-излучения, несомненно, стоит всех приложенных усилий, учитывая огромную востребованность по применению терагерцев. Поэтому неудивительно, что в последние десятилетия тема терагерцев стала особо актуальной в научном сообществе. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования России. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 11:35
Андрей

Палеонтологи обнаружили нового рогатого динозавра на границе Канады и США — животное прозвали локицератопсом в честь бога Локи из скандинавских мифов. Однако факт, что это самостоятельный вид, будет оспариваться, потому что у локицератопса было исключительно много соседей. И судя по всему, в Северной Америке открыли еще далеко не всех динозавров.

21 июня
Полина Меньшова

Переход от одного режима сна к другому может быть признаком различных хронических и инфекционных заболеваний, например коронавируса. Специалисты из США выделили пять типов графика сна, проанализировали, как часто люди «переключаются» между ними, и обнаружили закономерности, связанные с состоянием здоровья.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

20 июня
МПСУ

Эмоциональное выгорание ИТ-специалиста напрямую связано с его личностными характеристиками. С профессиональными перегрузками и стажем связи нет. К такому выводу пришли ученые МПСУ, которые исследовали ИТ-специалистов двух компаний. Жизнестойкость, то есть способность человека выдерживать стрессовые ситуации без снижения успешности деятельности, в совокупности с внутренней положительной мотивацией формируют иммунитет к эмоциональному выгоранию специалиста в ИТ-сфере. Блокаторами стали интерес к работе и профессиональная удовлетворенность.

21 июня
Александр Березин

Разные группы ученых предсказывали существование реликтовых гравитационных волн еще десятки лет назад. Однако, когда такое открытие в 2020-х годах действительно сделали, оказалось, что обнаруженные гравиволны несовместимы практически со всеми конкретными предсказаниями, кроме одного.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

3 Комментария
Zhe Sh
26.05.2023
-
0
+
⁰¹²³⁴⁵⁶⁷⁸⁹ Набор для копи-пасты всем писателям статей 10¹² Не благодарите!
-
0
+
...видимо должно было 10^12 степени, но вышло то, что вышло
-
0
+
Подозреваю, что 1ТГц ну никак не может быть равен 1КГц, в лучшем случае это триллионГц...
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно