• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
01.10.2020
ФизТех
791

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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
6 декабря
Василий Парфенов

Украинская частная космическая компания Promin Aerospace, несмотря на сложную обстановку в стране, продолжает работу над ракетой оригинальной конструкции. Первый тестовый запуск намечен на первую половину 2023 года. В свежем интервью основатель стартапа рассказал, что даже если прототип не получится отправить в полет на родине, сроки не должны сильно измениться.

Вчера, 15:56
Анна Новиковская

Со школьной парты мы знаем, что мир живой природы делится на бактерии, грибы, растения и животных. Теперь к этому списку добавилась новая супергруппа микроорганизмов-хищников, которых назвали «проворами».

Вчера, 19:00
Алиса Гаджиева

Крупные травоядные ящеры юрского периода не умели щелкать хвостом как бичом, но все же могли использовать его как оборонительное оружие.

2 декабря
Алиса Гаджиева

Серию секретных рисунков и надписей, добавленных таинственной женщиной-переписчицей, обнаружили в рукописи возрастом более 1200 лет.

5 декабря
Александр Березин

Глава Daimler Мартин Даум и Билл Гейтс в разное время, но вполне единодушно отмечали, что законы физики делают грузовую фуру — ключевой элемент современных перевозок — несовместимой с чистой электротягой. Многотонная батарея отнимает слишком много пространства и веса у коммерческого груза, поэтому проекты Tesla Semi Дауму и Гейтсу представлялись «непрактичными». А теперь Илон Маск наконец начал поставки этого грузовика — и просачивающиеся данные о его реальной массе показывают, что Гейтс и Даум ошибались. Как Маску удалось то, что все в один голос считали настолько невозможным, что никто даже не попытался составить ему конкуренцию? И почему это изменит мир вокруг нас?

6 декабря
Василий Парфенов

Украинская частная космическая компания Promin Aerospace, несмотря на сложную обстановку в стране, продолжает работу над ракетой оригинальной конструкции. Первый тестовый запуск намечен на первую половину 2023 года. В свежем интервью основатель стартапа рассказал, что даже если прототип не получится отправить в полет на родине, сроки не должны сильно измениться.

2 декабря
Алиса Гаджиева

Серию секретных рисунков и надписей, добавленных таинственной женщиной-переписчицей, обнаружили в рукописи возрастом более 1200 лет.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

19 ноября
Анна Новиковская

В последний раз черношейного фазанового голубя видели еще в 1882 году, и с тех пор ученые не знали, живет ли еще в лесах острова Фергуссон эта красивая птица. Теперь, наконец, им повезло: одна из камер запечатлела представителя редчайшего подвида фазановых голубей.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: