Разработан детектор из графена на основе плазменных волн
Группа исслелдователей из МФТИ создала широкополосный, чувствительный к поляризации детектор терагерцового излучения на основе графена. Разработка может найти применение в системах связи и передачи информации нового поколения, системах безопасности и медицине. Работа опубликована в престижном журнале ACS Nano Letters.
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 10 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.
Разработанный в МФТИ детектор представляет собой кремниевую пластинку размером 4х4 мм. На этой пластинке лежит маленкий кусочек графена размером 2х5 мкм. 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).
Терагерцовое излучение - это 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 при создании телекоммуникационных стандартов связи нового поколения 5G и 6G.
Важно отметить, что для изготовления устройства использовался CVD - графен, производство которого возможно масштабировать.
Ученые показали, что природой фотоотклика детектора является интерференция плазменных волн в канале транзистора. Они распространяются с двух разных концов транзисторного канала. 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.
