Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Изготовлено 2 образца металл-графен-металл из отшелушенного инкапсулированного графена. Первый образец представляет из себя графеновый канал с золотыми контактами, изолированный сверху от окружающей среды и снизу от подложки флейками отшелушенного hBN. Весь стек структуры спаттернирован в форме квадрата 15х15 мкм с помощью плазмохимического травления. Второй образец отличается от первого, главным образом, большим размером (40х50 мкм) и наличием только верхнего слоя нитрида бора. Кроме того, для этого девайса не выполнялось паттернирование, для того чтобы избежать абсорбции атомов из плазмы в процессе травления. Использовалась технология изготовления образцов состоящая из следующих этапов: щепление кристаллов на кремниевую подложку покрытую оксидом кремния, поиск и идентификация флейков нужных размеров и без повреждений, сборка структуры методом PC(поликарбонат)-трансфера, литография, плазмохимическое травление, напыление контактов, крепление образца на текстолитовую плату и соединение его контактов с контактными площадками платы. Измерены передаточные характеристики на переменном токе сток-исток амплитудой 0.4 мкА и частотой 111 Гц. Начальные концентрации носителей для двух образцов составили 0.09*10^12 см^(-2) и 0.5*10^12 см^(-2), что соответствует значениям энергии Ферми 27 и 73 мэВ. В фотоотклике выявлена сильная поляризационная чувствительность фотонапряжения в дальнем ИК диапазоне (8.6 мкм). Были проведены детальные измерения для выяснения ее механизма при освещении каждого из двух контактов (сток, исток) образца в зависимости от напряжения на затворе с шагом 0.05 В и угла линейной поляризации света по отношению к границе графен - металлический контакт с шагом 3 градуса. Для этого использовалась установка с автоматизированным поляризатором и автоматизированной съемкой “карт” фотонапряжения, а положение контактов определялось для каждой поляризации отдельно. Одна из причин сильной поляризационной зависимости в нашем случае - эффект усиления поля на остром краю [1]. При некоторых значениях концентрации носителей фотонапряжение меняло не только величину, но и знак в зависимости от поляризации. Это говорит о наличии двух конкурирующих эффектов генерации фотонапряжения. Полученные экспериментальные результаты мы объясняем наличием изотропного эффекта и анизотропного (поляризационно-зависимого), имеющих противоположный знак, при этом анизотропный механизм больше по амплитуде. Важным следствием смешения двух эффектов стало наличие концентрации носителей n*, в которой фотонапряжение не зависит от поляризации. Это позволило нам предложить использование графенового устройства в качестве поляризационно-разрешающего детектора. Данные результаты описаны в статье Valentin Semkin, Dmitry Mylnikov, Elena Titova, Sergey Zhukov, and Dmitry Svintsov “Gate-controlled polarization resolving mid-infrared detection at metal-graphene junctions”, принятой в Applied Physics Letters, также доступной на arXiv [2]. В качестве двумерного полупроводника для дальнейших исследований был выбран PdSe2 по совокупности следующих причин: 1) Обладает малой шириной запрещенной зоны, которая уменьшается от 1 эВ для однослойного PdSe2 до 0.1 эВ при количестве слоев 10..40, что делает его перспективным материалом для использования в качестве чувствительного материала фотодетектора в дальнем ИК диапазоне до 10 мкм. 2) В PdSe2 и было предсказано существование большого по величине по сравнению с другими известными материалами объемного фотогальванического эффекта - генерации фотонапряжения за счет асимметрии кристаллической решетки. Данный эффект привлекателен тем, что не требует создания p-n-переходов, Шоттки-барьеров или других типов асимметрии детектирующего устройства. 3) Также кристалл материала PdSe2 имелся в наличии у коллектива и позволил оперативно начать исследования. Отработана технология отшелушивания PdSe2 от объемного кристалла. Наибольшую трудность представляло получение относительно тонких флейков (около 5 нм, что соответствует ~10 слоям PdSe2). В ходе работы было установлено, что на количество и качество флейков влияет такие условия, как очистка подложки в плазме, температура подложки перед наклейкой пленки, время и температура нагрева подложки с наклеенной пленкой, степень расщепления кристаллов на пленке, адгезия пленки и влажность в помещении. Были опробованы несколько плёнок от разных производителей, с разными значениями адгезии. Кроме того, на получение более тонких флейков (вплоть до 5 нм) положительно повлияло выполнение предварительной очистки подложек в кислородной плазме. Однако, этот этап уменьшает вероятность успеха дальнейшего переноса полученных флейков, в силу улучшения их адгезии к подложке. Изготовлено 4 образца из отшелушенного PdSe2 с контактами из золота с подслоем титана. Толщина PdSe2 в устройствах составляла от 5 нм, а длина каналов устройств между стоком и истоком около 10 мкм. Было измерено начальное легирование и диапазон изменения энергии Ферми для образцов из графена и PdSe2. Для образцов с графеном собственное легирование составило от 0.09*10^12 см^(-2) до 0.5*10^12 см^(-2) для различных образцов (инкапсулированных в нитрид бора и неинкапсулированных), что соответствует значениям энергии Ферми 27 и 73 мэВ соответственно, это очень хороший результат. Диапазон варьирования энергии Ферми определяется напряжением пробоя диэлектрика и составил ±150 мэВ (при необходимости до ±250 мэВ). Для образцов с PdSe2 затвор позволяет менять энергию Ферми до 30 мэВ для электронной проводимости и до 3 мэВ для дырочной. Собственное легирование материала также достаточно мало, минимум проводимости наблюдается при околонулевом напряжении затвора. Полученные образцы PdSe2 проявляют выраженные полупроводниковые свойства с отношением сопротивления в открытом и закрытом состоянии на разных образцах до 1:1000. Показано, что работа выхода двумерного PdSe2 с количеством слоев ~20 меньше 5 эВ (по литературным данным - около 5 эВ), т.е. например при контакте с золотом барьер Шоттки образуется при n-легировании PdSe2. Т.к. работа выхода однослойного графена тоже около 5.0 эВ, а доступный нам диапазон варьирования энергии Ферми ±150 мэВ (при необходимости до ±250 мэВ), то мы хорошо перекрываем необходимые нам диапазоны варьирования высоты барьера для гетероперехода графен - полупроводник для детального исследования фотоотклика на устройстве с барьером Шоттки, т.к. сможем получить и барьер Шоттки разной высоты и его отсутствие при доступных значениях энергии Ферми, изменяемой с помощью электрического затвора. На устройствах с PdSe2 и золотыми контактами проведены измерения фототока и фотопроводимости с пространственным разрешением и при нескольких поляризациях падающего света. Выяснено, что выпрямление происходит на границах PdSe2 - золотой контакт, где имеется Шоттки-барьер. Также присутствует эффект изменения сопротивления образца под действием света. Фототок максимален при больших напряжениях на затворе, т.е. возрастает с увеличением проводимости образца. По этой причине принято решение для изготовления следующих образцов выбирать флэйки большой толщины (от 50 слоев) для уменьшения их сопротивления. [1] Nikulin, E., Mylnikov, D., Bandurin, D. & Svintsov, D. Edge diffraction, plasmon launching, and universal absorption enhancement in two-dimensional junctions. Phys. Rev. B 103, 085306 (2021). [2] Semkin, V., Mylnikov, D., Titova, E., Zhukov, S. & Svintsov, D. Polarization-resolving graphene-based mid-infrared detector. arXiv:2203.12423 [cond-mat, physics:physics] (2022).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Отработаны 2 технологии: 1) Создание стеков из двух двумерных материалов - графен/PdSe2, с металлическими контактами с нижним (кремниевым) затвором. 2) Создание стеков с двумерным PdSe2 и двумя раздельными затворами, создающими p-n переход, где в качестве верхнего раздельного затвора выступает графит, а в качестве диэлектрика - нитрид бора (hBN). Были измерены вольт-амперные и транзисторные (затворные) характеристики для всех изготовленных структур (#1, #2, PdSe2-split, PdSe2-BLG, PdSe2-SLG) при напряжении смещения до 1В обеих полярностей при различных доступных напряжениях на нижнем затворе в диапазоне -15..15В. Для всех пяти изготовленных структур измерены также затворные характеристики (зависимость сопротивления от напряжения на нижнем затворе). Был выяснен вклад различных механизмов генерации фотонапряжения в двумерном PdSe2 в различных режимах работы фотодетектора. Были измерены пространственные карты фототока, зависимости фототока от напряжения смещения, напряжения на затворе, от угла поворота поляризации. Мы считаем основными следующие механизмы генерации фототока без тока смещения: фотовольтаический и термоэлектрический. При освещении ИК светом фотогальванического эффекта в исследуемых образцах обнаружено не было. Были рассмотрены следующие механизмы генерации фототока в режимы работы с током смещения: фотопроводимость в объеме двумерного материала, фотопроводимость Шоттки-барьеров PdSe2-металл. Моделирование зависимости поглощения от поляризации в CST Studio и сравнение с теорией показало, что мы наблюдаем фотопроводимость именно в объеме. Было измерено время отклика устройств при различных значениях напряжений на нижнем затворе (и как следствие, при различных значениях сопротивления образца): -20, -15, 5, 10, 15, 20В. В нашем случае измерения показали отсутствие зависимости времени срабатывания от сопротивления в диапазоне сопротивлений образца 65 – 950 кОм. Время нарастания сигнала при включении освещения, измеренное по уровню 1/e, составило 110 мкс, время затухания – 150 мкс со среднеквадратичным отклонением 7 мкс. Из полученных данных можно заключить, что - быстродействие детектора не ограничено электрической цепью, а только его физическим механизмом работы - суммарная паразитная емкость электрической цепи образца не превышает 100пФ. Это является хорошим показателем, т.к. только при учете емкости коаксиального кабеля 50пФ/м и входной емкости усилителя 25пФ уже набирается емкость 75пФ. На основе результатов поляризационных измерений, полученных во время выполнения проекта была предложена схема фотодетектора, превосходящая в простоте изготовления другие детекторы на основе двумерных материалов. Предложенный дизайн представляет собой двумерный материал квадратной или прямоугольной формы с металлическими контактами к двум ортогональным сторонам. В случае, если контакты были бы расположены симметрично, фототок, возникающий на двух Шоттки-переходах контактов, полностью компенсировал бы друг друга. В предложенном дизайне реализуется следующая ситуация. Линейно поляризованное излучение, вектор Е которого перпендикулярен краю одного из контактов, локально усиливает электрическое поле вблизи этого контакта вследствие «эффекта острого края». Около второго контакта, край которого параллелен вектору Е, поле наоборот подавлено из-за отражения волны от металла наведенными в нем токами. В результате фототок первого контакта больше не скомпенсирован фототоком второго. Для реализации этой идеи область усиления поля вблизи края контакта (размером λ/100.. λ/10) должна перекрываться с шириной Шоттки перехода, типичная ширина которого ~100 нм. Данное условие выполняется для исследуемого среднего ИК диапазона λ = 5..10 мкм. Прототип такого «уголкового» детектора был изготовлен из прямоугольного флейка PdSe2 толщиной 13нм размером 4,5×6 мкм (меньше длины волны света). Референсный образец, симметричной формы, имел такую же толщину и схожий размер канала 5×3,5 мкм. Измеренная эффективность такого фотодетектора отлично совпала с теоретическим обоснованием и моделированием методом конечных элементов в CST Studio. Предложенный дизайн фотодетектора является совершенно новым, результаты описаны в статье [1] исполнителей проекта, которая проходит рецензирование в Nano Letters. Статья опубликована на arXiv https://arxiv.org/abs/2303.16782 [1] Semkin, V. A., Shabanov, A. V., Mylnikov, D. A., Kashchenko, M. A., Domaratskiy, I. K., Zhukov, S. S. & Svintsov, D. A. Zero-bias photodetection in 2d materials via geometric design of contacts. (2023) doi:10.48550/arXiv.2303.16782.