Группа ученых из России и Австрии продемонстрировала, что взаимодействие между плазмонными колебаниями в наноструктурированном графене приводит к сильному сдвигу спектра поглощения света в дальнем инфракрасном диапазоне.
Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решетку / ©Википедия
Эти разработки позволяют моделировать спектры плазмонов для применения их в оптоэлектронике и биосенсорике. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Photonics.
Плазмоны — коллективные возбуждения электронов в твердых телах. Возможность изменять их свойства электрическим полем в низкоразмерных материалах, таких как графен, делает их перспективными для использования в различных оптоэлектронных устройствах: сенсорах, детекторах, источниках излучения и многих других.
Плазмонные спектры в изолированных нанолентах (узких полосках графена) уже хорошо изучены. Однако для эффективной работы реальных оптоэлектрических устройств требуется максимальное заполнение площади подложки графеном, а именно — размещение как можно большего количества нанолент на единицу длины. До недавнего времени оптические спектры таких систем описывались приближенно — как система невзаимодействующих друг с другом плазмонов в отдельно взятой наноленте.
Такой подход давал ошибку более 10% при вычислении частоты основной моды плазмонных колебаний в изолированной наноленте и исключал возможность для исследования более тонких эффектов, имеющих место в графене, например, радиационного уширения спектров поглощения.
Группа ученых, в состав которой вошли физики из Сколтеха, возглавившие проект и проводившие планирование эксперимента и теоретическую часть исследования, и сотрудники Технологического института Вены (Австрия), проводившие сами эксперименты, обнаружили, что электрическое взаимодействие плазмонов в графене приводит к сильному красному сдвигу спектра поглощения по сравнению со спектром плазмона в изолированной наноленте.
Также было показано, что спектры поглощения нанолент заметно уширены в результате обратного переизлучения поглощенной энергии. Учет этой поправки позволяет очень точно определять параметры графена, из которого сделаны наноленты, такие как уровень Ферми и времена рассеяния носителей зарядов. Приведенный в статье метод анализа спектров поглощения может быть использован для исследования тонких эффектов, влияющих на проводимость графена и других двумерных материалов — например, электрон-электронного взаимодействия, электронной или дырочной локализации, вызванной наличием дефектов, и прочее.
«Спектры поглощения графена за счет взаимодействия плазмонов покрывают дальний ИК-диапазон (энергии фотонов 10 меВ — 200 меВ), который, в свою очередь, совпадает с колебательными спектрами большинства биологических молекул. Это открывает возможности для проектирования и изготовления биосенсоров, основанных на графене», — рассказывает один из ведущих исследователей, сотрудник Сколтеха Вячеслав Семененко.
