Понедельник | Октябрь | 21 | 2019
Домой / Интересное / Детектор из «грязного» графена

Детектор из «грязного» графена

Физики МФТИ продемонстрировали возможность использования неидеального «коммерческого» графена в приёмнике для терагерцового излучения.

Терагерцевым называется электромагнитное излучение с частотой в диапазоне от долей до единиц терагерц (1 терагерц = 1012 герц). Этот диапазон на шкале электромагнитных волн предшествует инфракрасному излучению. Интерес к нему связан с возможным применением этих волн в медицине и системах беспроводного интернета.

Транзистор на основе CVD-графена с металлической гребёнкой. Рисунок МФТИ.

Терагерцевое излучение безопасно для человека и может заменить рентгеновское при диагностике заболеваний внутренних органов. Его использование для беспроводной передачи данных, например, в Wi-Fi-системах, может значительно увеличить её скорость. Кроме того, в терагерцовых приёмниках заинтересованы астрофизики – в данном диапазоне лежит часть слабо исследованного космического излучения.

Однако этот диапазон волн очень непрост как для генерации, так и для приёма (детектирования). Появился даже термин «терагерцевая щель», означающий провал в мощности создаваемых источников излучения и регистрирующей способности детекторов.

Перспективным материалом для сверхбыстрых детекторов излучения, в том числе и для  терагерцевых волн служит графен. Этот истинно двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, обладает уникальными свойствами: он тонкий, но прочный, непроницаем даже для атомов гелия, и самое главное, имеет высокую электро- и теплопроводность.

Однако сам по себе графен поглощает лишь около двух процентов падающего излучения, что недостаточно для эффективного детектирования. Один из способов решения проблемы – сильное сосредоточение поля вблизи графена, благодаря чему электромагнитная волна может «сцепиться» с электронами проводимости и резонансно раскачать их колебания. Такая комбинированная волна, состоящая из совместно колеблющихся электронов и электромагнитного поля, называется поверхностным плазмоном, а явление усиленного поглощения света благодаря возбуждению этих волн — плазмонным резонансом. Для его возбуждения перед графеном располагают специальную металлическую «гребёнку» с расстоянием между зубчиками менее микрона.

Но на пути создания графеновых детекторов встаёт ещё одно препятствие – трудности создания качественного, без дефектов, графена в промышленных масштабах. Говоря о больших перспективах графена в различных разделах электроники, исследователи, как правило, умалчивают о трудоемкости процедуры его получения. В настоящее время известны десятки способов получения графена, которые отличаются по трудозатратам и качеству получаемых образцов.

Лучший графен до сих пор получают методом механического отщепления, использованного Андреем Геймом и Константином Новосёловым, получившим Нобелевскую премию по физике 2010 года за получение графена и изучение его свойств. При этом графит зажимается между двумя липкими лентами, которые затем отрываются друг от друга, отделяя от графита более тонкий слой. Такую процедуру с оставшимся на ленте слоем повторяют несколько раз, пока не начнут появляться места с одноатомным слоем – графеном. С графеном «ручной работы» получаются приборы, имеющие наилучшие характеристики.

Однако при таком методе площадь графена не превосходит микрометров, образцы изготавливаются по несколько месяцев, а налаживание процесса обходится очень дорого. Существует более простой и технологичный метод — химическое осаждение из газовой фазы (CVD — chemical vapour deposition). При этом в результате разложения газа, содержащего углерод, в специальной печке при высокой температуре на подложке из меди или никеля формируется графеновая пленка. Этот метод способен лечь в основу промышленного производства графена, но, к сожалению, пленка CVD-графена не однородная, а состоит из сросшихся зёрен – кристаллических участков, подобно поликристаллу. Из-за их границ и прочих дефектов она обладает не такими хорошими характеристиками как графен, полученный отщеплением.

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) и Физико-технологического института имени К. А. Валиева Российской академии наук (ФТИАН) решили пронаблюдать явление терагерцевого плазмонного резонанса именно в CVD-графене (хотя теоретики уверяли, что это невозможно из-за того, что электроны постоянно сталкиваются с многочисленными дефектами). Их смелость была вознаграждена: они всё же обнаружили искомое явление в коммерчески доступном графене, о чём и рассказали в журнале Physical Review Applied. Это – важнейший шаг на пути к созданию эффективных детекторов терагерцевого излучения.

Авторы работы объяснили результат эксперимента тем, что при облучении терагерцевыми волнами электроны в основном колеблются внутри одного зерна, почти не подходя к его границам. Поэтому дефекты не мешают возникновению плазмонного резонанса.

Другой загадкой стала частота резонансного возбуждения плазмонов, которая не соответствовала существующим теориям и имела принципиально другую зависимость от размеров гребёнки. Исследователи разработали простейшую теорию явления.

Оказалось, что при близком расположении графена и гребёнки последняя сосредотачивает поле под металлическими штрихами, края которых играют роль зеркал для плазмонов.

По материалам пресс-релиза МФТИ.



Источник

Проверьте также

«Большой переполох в маленьком Китае»: Обзорщик сравнил Geely Atlas и Haval F7

Оба кроссовера из Поднебесной, убежден блогер, смело можно рекомендовать к покупке. Начать он решил с …