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.
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, 13:46
58 минут
Николай Цыгикало

Грохот уходящих в космос ракет, гигантские столбы огня, колоссальная сила, превосходящая силу тяжести. Форсажный рев боевых самолетов. Самое громкое и мощное силовое устройство человека. Все это — канал особой формы и особых свойств, радикально изменивший человечество. В чем его суть и как происходит трудное рождение сверхзвука — читайте в нашем материале.

Вчера, 19:57
9 минут
Василий Парфенов

Российские эпидемиологи считают, что в столице могла появиться своя разновидность вируса SARS-CoV-2. Кроме того, по мнению специалистов Центра имени Гамалеи, сейчас важным является индийский штамм коронавируса. По отношению к нему активность сывороток у вакцинированных и переболевших Covid-19 снижена в 2-3 раза.

Вчера, 17:52
3 минуты
Мария Азарова

56-летний дайвер из штата Массачусетс пережил уникальный опыт: он охотился на омаров и оказался проглоченным горбатым китом.

Вчера, 13:46
58 минут
Николай Цыгикало

Грохот уходящих в космос ракет, гигантские столбы огня, колоссальная сила, превосходящая силу тяжести. Форсажный рев боевых самолетов. Самое громкое и мощное силовое устройство человека. Все это — канал особой формы и особых свойств, радикально изменивший человечество. В чем его суть и как происходит трудное рождение сверхзвука — читайте в нашем материале.

Вчера, 19:57
9 минут
Василий Парфенов

Российские эпидемиологи считают, что в столице могла появиться своя разновидность вируса SARS-CoV-2. Кроме того, по мнению специалистов Центра имени Гамалеи, сейчас важным является индийский штамм коронавируса. По отношению к нему активность сывороток у вакцинированных и переболевших Covid-19 снижена в 2-3 раза.

Вчера, 17:52
3 минуты
Мария Азарова

56-летний дайвер из штата Массачусетс пережил уникальный опыт: он охотился на омаров и оказался проглоченным горбатым китом.

24 мая
23 минуты
Ольга Иванова

«Сексуальную революцию совершили задние сиденья автомобилей», – заявил в свое время американский общественный деятель Джерри Рубин. И ошибся. Раскрепощение нравов происходило задолго до появления машин, причем много раз. Оно напоминает движение маятника. Как и почему вершились «секшал революшнс» и стоим ли мы на пороге нового витка сексуальности или же нас ждет ужесточение морали? Об этом – в нашем материале.

9 июня
4 минуты
Ольга Иванова

Международная команда исследователей изучила геологию и условия существования самого большого моря в истории планеты — Паратетиса.

27 мая
51 минута
Александр Березин

Хотя в прессе много пишут об исключительно редких «побочках» от вакцин, практика показывает, что бояться надо совсем другого. Самым страшным врагом привитого остается... коронавирус. Даже после вакцин Pfizer или Moderna от него иногда умирают — и подобных случаев уже сотни. Разумеется, среди непривитых таких на порядки больше, но погибшим и членам их семей от этого не легче. Еще хуже то, что две из трех российских вакцин, похоже, защищают от ковида намного слабее Pfizer и Moderna. Это довольно странно с учетом того, что третий российский препарат в этом плане не уступает западным аналогам. Почему российские власти финансируют миллионные тиражи слабой вакцины, имея в распоряжении вполне полноценную?

[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: