Ryska forskare från Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) och Valiev Institute of Physics and Technology har visat resonansabsorbering av terahertz -strålning i kommersiellt tillgängligt grafen. Detta är ett viktigt steg mot att designa effektiva terahertz-detektorer för att möjliggöra snabbare internet och en säker ersättning för röntgenkroppsskanningar. Forskningsresultaten publicerades i Fysisk granskning tillämpad .

Optoelektronik av grafen

Eftersom Andre Geim och Kostya Novoselov fick Nobelpriset i fysik 2010 för att studera grafens unika elektroniska egenskaper, intresset för detta material har aldrig minskat. Grafen är verkligen tvådimensionell:Den består av ett en-atom-tjockt kollager, vilket är en av anledningarna till att dess egenskaper är så fantastiska. Den är tunn men mekaniskt stark, ogenomtränglig även för heliumatomer, och leder elektricitet och värme extremt bra. Elektronernas höga rörlighet i grafen gör det till ett lovande material för ultrasnabba fotodetektorer, inklusive de som arbetar inom terahertz -serien.

THz strålning, även känd som T-vågor, är lika svårt att generera och upptäcka. Detta gav upphov till tanken om ett "terahertz -gap, "som hänvisar till ungefär 0,1-10 THz frekvensband i det elektromagnetiska spektrumet. Det finns inga effektiva enheter för att generera och detektera strålning inom detta område. Ändå, T-vågor är mycket viktiga för mänskligheten:De skadar inte kroppen och kan därför ersätta röntgenstrålar vid medicinska skanningar. Också, T-vågor kan göra Wi-Fi mycket snabbare och låsa upp ett dåligt studerat band med kosmisk strålning för astronomisk forskning.

Trots grafens stora potential för fotodetektion, dess monoskikt i sig absorberar bara cirka 2,3% av yttre strålning, vilket inte räcker för pålitlig detektion. En väg runt detta är att starkt lokalisera fältet nära grafen, tvingar en elektromagnetisk våg att koppla ihop med grafenelektroner och excitera resonansoscillationer. Den resulterande kollektiva vågen av det elektromagnetiska fältet och ledningselektroner är känd som en ytplasmon. Motsvarande fenomen med plasmonresonans är den förbättrade ljusabsorptionen på grund av excitation av ytplasmonvågor.

Tyvärr, detta fenomen observeras inte i ett kontinuerligt ark av en ledare upplyst med plana vågor. Plasmonvåglängden är för kort jämfört med fotonens, det är därför dessa två vågor knappast kan vara synkrona. För att hantera denna skillnad, ett metallgaller placeras ovanför grafenfilmen. Det liknar en liten kam med tänder mindre än en mikrometer från varandra.

Graphene:Förväntningar kontra verklighet

Dussintals tekniker finns tillgängliga för att producera grafen. De skiljer sig åt när det gäller slutproduktkvalitet och arbetsintensitet. Forskare som berömmer den höga elektronrörligheten i grafen har ofta minskat hur svårt detta material är att tillverka.

Grafen av högsta kvalitet produceras genom mekanisk peeling. Detta innebär att en bit grafit placeras mellan två klibbiga band, som sedan rippar av successivt tunnare lager i flera iterationer. Vid något tillfälle, fragment av grafen - det vill säga enlagers grafit - framträda. Sådan "handgjord" grafen har de bästa egenskaperna för applicerade enheter, såsom den resonanta T-vågdetektorn baserad på inkapslad grafen skapad av forskare från MIPT, Moskvas statliga pedagogiska universitet, och University of Manchester. Tyvärr, grafenflingor som tillverkas genom mekanisk peeling är bara mikrometer tvärs över, ta flera månader att producera, och hamnar för dyrt för seriell enhetsdesign.

Det finns en enklare och skalbar alternativ teknik för grafensyntes som kallas kemisk ångavsättning (CVD). Det innebär att gaser bryts ned - normalt sett en blandning av metan, väte, och argon - i en speciell ugn. Processen leder till att en grafenfilm bildas på ett koppar- eller nickelsubstrat. Den resulterande grafen har sämre egenskaper och fler defekter än den mekaniskt exfolierade. Men CVD är för närvarande den teknik som är bäst lämpad för att skala upp produktion av enheter.

De ryska fysikerna satte sig för att testa om sådant grafen av kommersiell kvalitet är tillräckligt bra för THz-plasmonresonans-excitation, vilket skulle göra det till ett giltigt material för T-vågdetektorer.

"Faktiskt, en CVD-producerad grafenfilm är inte homogen. Som en polykristall, den består av många sammanslagna korn. Var och en är en ordnad region med ett helt symmetriskt atommönster. Korngränser, tillsammans med defekter, gör arbetet med sådan grafen långt ifrån enkelt, "sade medförfattare och MIPT-doktorand Elena Titova.

Det tog laget över ett år att bemästra arbetet med CVD -grafen vid institutets centrum för delade forskningsanläggningar. Under tiden, kollegorna från laboratoriets teoretiska avdelning var övertygade om att ingen plasmonresonans skulle observeras. Anledningen är att resonanssynligheten bestäms av den så kallade kvalitetsfaktorn-det vill säga hur många perioder fältet passerar innan elektronen stöter på ett gitterdefekt. Teoretiska uppskattningar förutsade en mycket låg Q-faktor begränsad av frekventa elektrondefektkollisioner i CVD-grafen. Som sagt, den höga elektronrörligheten i grafen framträder inte på grund av sällsynta elektronkollisioner, men på grund av en låg massa elektroner, vilket möjliggör deras snabba acceleration till en hög hastighet.

Teori och experiment

Trots de pessimistiska teoretiska förutsägelserna, författarna till tidningen bestämde sig för att fortfarande göra experimentet. Deras beslutsamhet belönades:Absorptionsspektra uppvisade topparna som tyder på plasmonresonans i CVD-syntetiserad grafen.

"Saken är att inte alla defekter är desamma, och elektroner kolliderar med olika defekter vid likströmsmätningar och THz -absorptionsmätningar, "kommenterar forskarhandledaren, Dmitry Svintsov, som leder MIPT-laboratoriet för 2-D-material för optoelektronik. "I ett DC -experiment, en elektron kommer oundvikligen att möta korngränser på vägen från en elektrisk kontakt till den andra. Men när de utsätts för T-vågor, det kommer mestadels att fluktuera inom en enda korn, bort från dess gränser. Detta innebär att defekter som försämrar likströms konduktivitet faktiskt är 'säkra' för T-vågdetektering. "

Ett ytterligare mysterium hade att göra med frekvensen av resonant plasmon -excitation, som inte håller med de tidigare befintliga teorierna. Det visade sig vara relaterat till metallgallets geometri på ett oväntat sätt. Teamet fann att när det placerades nära grafen, gallret (avbildat i orange i figur 1) modifierade plasmonfältfördelningen. Detta ledde till plasmonlokalisering under "kamtänderna, "vars kanter fungerade som speglar för plasmoner. Forskarna formulerade en mycket enkel teori som beskriver fenomenet baserat på en analogi med den tättbindande modellen från solid-state-fysik. Teorin återger experimentdata väl utan att ta till passande parametrar och kan vara används för att optimera framtida T-vågdetektorer.