В МФТИ создали детектор, который может применяться в системах связи нового поколения — Naked Science
14 минут
ФизТех

В МФТИ создали детектор, который может применяться в системах связи нового поколения

4.2

Физики из МФТИ создали широкополосный чувствительный к поляризации детектор терагерцового излучения на основе графена. Разработка может найти применение в системах связи и передачи информации нового поколения, а также системах безопасности и медицине.

Фазочувствительный ТГц-интерферометр / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в престижном журнале ACS Nano Letters. Принцип работы детектора основан на интерференции плазменных волн. Явление интерференции играет важную роль во многих областях науки и повседневной жизни. Оно определяет звучание музыкальных инструментов, радужную окраску поверхности мыльных пузырей, и множество других эффектов.

Интерференция электромагнитных волн используется в различного рода спектральных приборах, с помощью которых мы получаем информацию о химическом составе, физических параметрах и других свойствах окружающих нас объектов, в том числе и об очень удаленных (звезды, галактики). С недавних пор ученые стали все активнее изучать и использовать так называемые плазменные волны в металлах и полупроводниках. Как и более привычные нам акустические волны, плазменные волны представляют собой волны плотности, но только речь идет о носителях заряда – электронах или дырках.

Изменение их локальной плотности приводит к возникновению электрического поля, которое, распространяясь в материале, приводит к движению других носителей заряда. Это происходит подобно тому, как изменение давления в звуковой волне заставляет двигаться все новые области газа или жидкости, в которой распространяется звуковая волна.

В традиционных проводящих материалах такие плазменные волны очень быстро затухают, однако в двумерных материалах плазменные волны могут распространяться без затухания на сравнительно большие расстояния и поэтому оказывается возможным наблюдать их интерференцию. Поскольку такие наблюдения дают много новой информации об электронных свойствах материала, плазмоника двумерных материалов стала одним из наиболее бурно развивающихся направлений физики конденсированного состояния.

Работы по детектированию терагерцового излучения при помощи графена ведутся уже не менее десяти лет. За это время, ученые добились немалых результатов: исследовали различные механизмы взаимодействия излучения с графеном и создали прототипы детекторов, не уступающие коммерческим аналогам, работающим на основе других материалов.

Однако, до сих пор не была изучена природа взаимодействия графеновых детекторов с терагерцовым излучением разной поляризации. Хотя чувствительные к поляризации излучения детекторы, могут быть полезны во многих прикладных задачах. В данном исследовании ученым удалось показать экспериментально, как отклик детектора зависит от поляризации падающего излучения, и объяснить почему так происходит.

Яков Матюшкин, научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ рассказывает: «Детектор представляет собой кремниевую пластинку размером 4 на 4 миллиметра. На этой пластинке лежит маленький кусочек графена размером 2 на 5 микрометра (1 микрометр — это одна миллионная доля метра). Графен соединен с двумя плоскими золотыми контактами, которые специально изготовлены в форме галстука-бабочки, для обеспечения чувствительности детектора к поляризации и фазе падающего излучения.

Кроме того, сверху графен соединен с еще одним золотым контактом через слой диэлеткрика (оксид алюминия)». В микроэлектронике при описании таких структур принято называть один из боковых золотых контактов – истоком, а другой – стоком. Верхний контакт обычно называют — затвором, а всю структуру вместе – полевым транзистором.

Рисунок 1. а) Оптическая фотография устройства (вид сверху). б) Увеличенная фотография чувствительной части детектора. в) Принципиальная схема детектора (боковой разрез) / ©Пресс-служба МФТИ

Терагерцовое излучение — эта узкая область электромагнитного спектра, лежащая между дальними ИК и микроволнами. С точки зрения применений, его главной особенностью является тот факт, что оно проходит сквозь живые организмы, частично поглощаясь в тканях, но при этом не является ионизирующим и не оказывает вредного воздействия на организм. В отличие, например, от рентгеновского излучения.

Поэтому традиционными областями, для которых исследуется применение этого излучения являются медицинская диагностика и системы безопасности. Кроме того, ТГц-детекторы применяются для исследований космоса. В последние годы для этого диапазона частот открывается новая прикладная область связанная с приемом-передачей и распространением информации. Разработанный детектор может оказаться полезным полезным при создании телекоммуникационных стандартов связи нового поколения 5G и 6G.

«Терагерцовое излучение направляется на экспериментальный образец перпендикулярно его поверхности. Падающее излучение порождает в образце фотонапряжение, которое регистрируется внешними измерительными приборами, через золотые контакты на детекторе. Ключевым моментом является природа возникновения этого сигнала, – комментирует соавтор исследования, Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ. – Она, вообще говоря, может быть различной. И может зависеть от целого набора внешних и внутренних параметров системы: геометрии образца, частоты, поляризации и мощности излучения, температуры и других».

Важно отметить, что для изготовления устройства использовался CVD – графен. Графен бывает двух видов. Механически отшелушенный и CVD. Первый – высококачественный, имеет мало дефектов и химических примесей и именно в нем достигаются рекордные значения подвижности носителей заряда (важнейшее свойство полупроводников). CVD-графен – chemical vapor deposition – химически осажденный из газовой фазы. Качество CVD графена значительно ниже, чем у отшелушенного (так получается из-за технологии его переноса на подложку). Однако у CVD-графена есть огромный плюс — его производство возможно масштабировать и уже сейчас есть возможность производить его в промышленном масштабе.

Один из соавторов исследования научный сотрудник ИОФ РАН имени Прохорова и генеральный директор компании РУСГРАФЕН Максим Рыбин говорит: «Тот факт, что нам удалось пронаблюдать интерференцию плазменных волн именно в CVD – графене – означает, что при необходимости возможно начать производить графеновые ТГц-детекторы в промышленном масштабе. На сколько нам известно, интерференция плазменных волн в CVD – графене ранее не наблюдалась, поэтому наше исследование расширяет возможности применения графена для индустрии».

Рисунок 2. Схема распространения плазменных волн в канале транзистора / ©Пресс-служба МФТИ

Ученые показали, что природой фотоотклика детектора, является интерференция плазменных волн в канале транзистора. Они распространяются с двух разных концов транзисторного канала (рисунок 2). Особая геометрия антенны позволяет осуществлять детектирование, чувствительное к поляризации и фазе излучения. Благодаря этим свойствам разработка может быть востребована при построении систем связи и передачи информации на ТГц и суб-ТГц частотах.

Совместно с сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Московского педагогического государственного университета, ФТИ имени А. Ф. Иоффе и университета Регенсбурга (Германия). Работа выполнена при поддержке РФФИ и Министерства образования и науки РФ.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
213 статей
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.
Вчера, 18:50
7 минут
Василий Парфенов

С момента появления систем автономного вождения многие задавались вопросом: а как они будут выглядеть в идентичных условия? К счастью, у нас наконец-то появилась возможность сравнить два самых известных автомобильных автопилота: системы разработки Tesla и Waymo — дочерней структуры Alphabet, владеющей Google. Машины проехали по одному маршруту, но сделали это совершенно по-разному, что весьма удивляет.

Вчера, 19:26
10 минут
Мария Азарова

Исследование предоставило доказательства более плохого состояния костей тех, кто придерживается веганской диеты. Также исследователи обнаружили комбинацию биомаркеров, связанных с питанием, которые могут способствовать здоровью костной ткани.

Вчера, 18:20
5 минут
Илья Ведмеденко

Согласно решению Арбитражного суда Амурской области, строительство стартового комплекса «Ангара» на Восточном должны приостановить. Напомним, стартовый стол создают под тяжелую ракету «Ангара-А5», которую хотят применить для испытаний космического корабля нового поколения.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

2 марта
5 минут
Сергей Васильев

Моделирование показало, что через миллиард лет атмосфера нашей планеты переживет резкие изменения и потеряет весь свой кислород, отбросив жизнь к древнейшим анаэробным формам.

Вчера, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: