Новости

19 апреля, 2018 18:49

Спор о причинах возникновения терагерцевого фотоотклика в графене завершился ничьей

Физики из МФТИ вместе с британскими и российскими коллегами выяснили, какие физические механизмы отвечают за возникновение фототока в графене под действием терагерцевого излучения. Работа, опубликованная в Applied Physics Letters, с одной стороны завершает давний спор о причинах возникновения постоянного тока в графене при воздействии на него высокочастотным излучением, с другой — создаёт основу для разработки высокочувствительных терагерцевых детекторов. Такие детекторы востребованы в медицинской диагностике, беспроводной связи и системах безопасности.
Фото: пресс-служба МФТИ

В 2005 году выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новосёлов экспериментально изучили поведение электронов в плоских «сотах» из атомов углерода. Они выяснили, что электроны в графене реагируют на электромагнитное излучение с любой энергией кванта, тогда как в «обычных» полупроводниках существует минимальная энергия, ниже которой материал на свет не реагирует. Однако вопрос о том, в какую сторону будет двигаться электрон под воздействием излучения в графене, долгое время был дискуссионным — слишком много факторов «тянет» его в разные стороны. Особенно остро стоял этот вопрос для фототока, вызванного терагерцевым излучением.

Терагерцевое излучение интересно уникальным сочетанием свойств. Оно достаточно хорошо проходит через многие диэлектрики и при этом не является ионизирующим: это ценно для диагностических систем или систем безопасности. Терагерцевая камера сможет видеть спрятанное под одеждой оружие, а медицинский сканер сможет на ранних стадиях выявить заболевания кожи по спектральным линиям («отпечаткам пальцев») характерных белков в терагерцевом диапазоне. Наконец, повышение несущей частоты Wi-Fi устройств с единиц до сотен гигагерц (суб-терагерцевый диапазон) позволит пропорционально увеличить скорость передачи данных. Но для всех этих приложений нужно разработать чувствительный, недорогой и с низким уровнем помех детектор.

Терагерцевый детектор, созданный исследователями из МФТИ, МПГУ и Университета Манчестера (где, собственно, и открыли графен), представляет собой лист графена (изображён зелёным на рисунках 1 и 2), зажатый между диэлектрическими слоями нитрида бора и электрически подключённый к терагерцевой антенне — металлической спирали размером чуть менее миллиметра. Излучение, приходящее на антенну, раскачивает электроны на одной стороне листа графена, а на другой стороне считывается возникающий постоянный ток. Именно «упаковка» графена в нитрид бора позволяет достичь рекордных электрических характеристик; благодаря этому чувствительность созданного детектора на порядок превышает чувствительность предыдущих конструкций. Однако основным результатом работы является не улучшение приборных характеристик, а понимание физических явлений, ответственных за возникновение фототока.

Фото: электрическая схема терагерцевого детектора на основе графена: терагерцевое излучение подаётся на антенну, присоединённую к левому (исток) и верхнему (затвор) контактам транзистора. Между левым и правым контактами возникает постоянный фототок (или постоянное напряжение, в зависимости от схемы измерения), сила которого является мерой интенсивности излучения. Источник: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ

Существует три основных эффекта, ответственных за возникновение тока при воздействии на графен терагерцевого излучения. Первый — фото-термоэлектрический эффект — происходит из-за разности температур контакта, присоединённого к антенне, и считывающего контакта. Электроны при этом приходят в движение от горячего контакта к холодному, подобно воздуху, поднимающемуся вверх от теплой батареи. Второй эффект состоит в появлении выпрямленного тока на контактах: оказывается, что контакты к графену пропускают высокочастотный сигнал только при определённой полярности. Третий, наиболее интересный эффект, называется плазмонным выпрямлением. Можно считать, что контакт, присоединённый к антенне, запускает в графеновой полосе «волны в электронном море», а считывающий контакт регистрирует средний ток, связанный с этим волнением.

Фото: рабочая область терагерцевого детектора: зелёная полоска — графен, золотые контакты ведут к антенне и к считывающему амперметру. Длина белой полоски — 6 микрон. Источник: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ

«Раньше фототок в подобных детекторах пытались объяснить лишь одним из этих механизмов, а другие полностью игнорировались, — рассказывает Дмитрий Свинцов, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, — В действительности, работают все три, и в нашей работе мы выяснили, какой эффект при каких параметрах доминирует. При низких температурах доминируют термоэлектрические эффекты, а при высоких температурах и в приборах с большой длиной канала — плазмонное выпрямление. Главное — мы поняли, как сделать детектор, где разные механизмы фотоотклика будут друг друга усиливать, а не мешать друг другу».

Информация, полученная в описанных экспериментах, позволяет подобрать верные технологические решения для создания терагерцевых детекторов и приближает нас к высокоскоростным Wi-Fi устройствам, безопасной медицинской диагностике и дистанционному обнаружению опасных веществ.

Работа была поддержана Российским научным фондом, Министерством образования и Науки РФ, Британским фондом и Российским фондом фундаментальных исследований.

14 июня, 2024
Обнаружен эффективный способ предсказания развития отдаленных метастазов при раке молочной железы
Ученые НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН обнаружили ...
14 июня, 2024
Природная аптека: ученые открыли способность растительных пигментов усиливать действие противогрибкового препарата
Российские ученые выяснили, что природные растительные пигменты флавонолы способны в несколько раз у...