Новый этап в создании фотодетекторов на основе коммерчески доступного графена

Российские ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) и Физико-технологического института имени К.А. Валиева Российской академии наук (ФТИАН имени К.А. Валиева РАН) обнаружили резонансное поглощение терагерцового излучения в коммерчески доступном графене.

2 456

Выбор редакции

Это является важнейшим шагом на пути к созданию эффективного детектора терагерцевого излучения. Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review Applied.

 

Графеновая оптоэлектроника

 

С момента присуждения в 2010 году Андрею Гейму и Константину Новоселову нобелевской премии по физике за получение графена и изучение его свойств, интерес исследователей к этому материалу не утихает.

 

Графен является истинно двумерным материалом, то есть состоит из одного атомарного слоя углерода, отчасти благодаря чему обладает уникальными свойствами: он тонкий, но прочный, непроницаем даже для атомов гелия, имеет высокую электро- и теплопроводность. Благодаря высокой подвижности электронов графен является перспективным материалом для сверхбыстрых фотодетекторов, в том числе и для детекторов терагерцовых волн.

 

Терагерцевое излучение является очень непростым как для генерации, так и для детектирования. Вследствие этого даже появился термин «терагерцовая щель», означающий провал в мощности источников и регистрирующей способности детекторов в диапазоне от долей до единиц терагерц.

 

Но на эту щель никто бы и не обратил внимания, если бы не огромный потенциал терагерцевых волн в медицине, системах беспроводного интернета и астрофизике. Так, терагерцевое излучение является безопасным для человека и может заменить рентгеновского при диагностике заболеваний органов. Скорость передачи данных в Wi-Fi-системах может значительно увеличиться с использованием терагерцевых волн. Кроме того, часть слабо исследованного космического излучения лежит в терагерцевом диапазоне.

 

Использование графена в качестве детектирующего материала может помочь в создании быстрого терагерцевого детектора. Однако сам по себе монослой графена поглощает лишь 2.3% падающего излучения, что недостаточно для эффективного детектирования. Одним из способов решения проблемы является сильная локализация поля вблизи графена, благодаря которой электромагнитная волна может “сцепиться” с электронами проводимости и резонансно раскачать их колебания.

 

Такая комбинированная волна, состоящая из совместно колеблющихся электронов и электромагнитного поля, называется поверхностным плазмоном, а явление усиленного поглощения света благодаря возбуждению этих волн - плазмонным резонансом.

 

К сожалению, плазмонный резонанс не наблюдается в плоском слое графена, освещенном плоской электромагнитной волной - малая по сравнению с фотоном длина волны плазмона не дает свету возбудить плазмонные колебания. Преодолеть такое рассогласование позволяет специальная металлическая “расческа” вблизи графена с расстоянием между зубчиками менее микрона.

 

Графен: ожидание vs. реальность

 

К настоящему времени известны десятки способов получения графена, которые отличаются по трудозатратам и качеству получаемых образцов. Говоря о высокой электронной подвижности в графене, исследователи зачастую умалчивали о трудоемкой процедуре его получения. Лучший графен до сих пор получают методом механического отщепления. При этом графит зажимается между двумя липкими лентами, которые затем отрываются друг от друга, отделяя от графита более тонкий слой.

 

Такую процедуру с оставшимся на ленте слоем повторяют несколько раз, пока не начнут появляться места с монослоем графита – графеном. С таким графеном “ручной работы” получаются приборы с наилучшими характеристиками. Так, ранее исследователи из МФТИ, МПГУ и университета Манчестера сообщали о создании резонансного терагерцевого детектора на основе инкапсулированного графена.

 

В методе механического отщепления площадь графена не превосходит микрометров, образцы изготавливаются по несколько месяцев, а налаживание такого процесса обходится очень дорого. Существует, однако, более простой, масштабируемый и технологичный метод - химическое осаждение из газовой фазы (CVD - chemical vapour deposition). При этом в результате разложения газов (чаще всего смеси метана, водорода и аргона) на подложке из меди или никеля в специальной печке при высокой температуре формируется графеновая пленка.

 

Только на основе такого графена можно масштабируемым образом создавать партии приборов, однако он имеет больше дефектов по сравнению с графеном, полученным отщеплением, вследствие чего обладает не такими хорошими характеристиками. Авторы данной работы решили пронаблюдать явление терагерцевого плазмонного резонанса именно в CVD-графене.

 

«На самом деле пленка CVD графена не однородная, а состоит из сросшихся зерен – участков симметрично повторяющегося во все стороны кристаллического рисунка – подобно поликристаллу. Границы зерен, наряду с дефектами, являются самыми слабыми местами графена, осложняющими работу с ним,» - рассказала Елена Титова, соавтор работы, студентка МФТИ.

 

Больше года ушло у коллектива лаборатории на освоение ремесла работы с непослушным материалом в центре коллективного пользования МФТИ. Параллельно с этим теоретический отдел лаборатории уверял, что никакого плазмонного резонанса пронаблюдать не получится.

 

Дело в том, что эффективность резонанса определяется его добротностью - тем, сколько периодов поля проходит до того, как электрон столкнется с дефектом решетки. А добротность, по сделанным оценкам, оказывалась очень малой, так как электроны в CVD-графене постоянно сталкиваются с многочисленными дефектами.

 

Это не мешает им, однако, иметь высокую подвижность - все дело в том, что электроны в графене обладают малой массой и за время между столкновениями успевают набрать большую скорость.

 

Теория & эксперимент

 

Вопреки пессимистичным теоретическим прогнозам о возможности наблюдения плазмонного резонанса в изготовленных образцах, авторы работы решились осуществить планируемый эксперимент. Смелость была вознаграждена, и в спектрах поглощения образца были выявлены пики, свидетельствовавшие о возбуждении плазмонного резонанса в графене. Это дало очередную загадку для теоретиков, ответ на которую также получен в работе.

 

«Дело в том, что дефект дефекту рознь, и электроны сталкиваются с разными дефектами при измерениях на постоянном токе и при измерениях терагерцевого поглощения. В эксперименте на постоянном токе электрон неизбежно столкнется с границами зерен на пути от одного контакта к другому. При облучении терагерцевыми волнами электрон в основном колеблется внутри одного зерна, почти не подходя к его границам.

 

Поэтому дефекты, уменьшающие статическую проводимость, оказываются “безопасными” для терагерцевых детекторов» - рассказывает Дмитрий Свинцов, один из авторов работы, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ

 

Рисунок: Транзистор на основе графена с металлической решеткой

Рисунок: Транзистор на основе графена с металлической решеткой

           

Дальнейшей загадкой являлась частота резонансного возбуждения плазмонов, которая не соответствовала существующим теориями и имела принципиально другую зависимость от геометрических размеров решетки. Оказалось, что при близком расположении графена и решетки, последняя модифицирует распределение поля плазмона и локализует его под металлическими штрихами, края которых играют роль зеркал для плазмонов.

 

Авторы работы сформулировали простейшую теорию явления, используя аналогии с приближением сильно связанных электронов в твердом теле. Эта теория описывает экспериментальные данные без подгоночных коэффициентов, и в дальнейшем может быть использована для оптимизации терагерцевых детекторов.

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
137Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
Метки:
2 456
Cсылки по теме
Комментарии
16 июл
Даже если он переместиться в прошлое и затронет чью-...
15 июл
Над загадкой женственности много мудрило голов всех...

Колумнисты

Физтех
137Статей
Сколтех
58Статей
Discovery Channel
39Статей
ТюмГУ
25Статей
СФУ
14Статей
Комментарии

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку