Fysiker har skapat en bredbandsdetektor för terahertzstrålning baserad på grafen. Enheten har potential för tillämpningar i kommunikation och nästa generations informationsöverföringssystem, säkerhet och medicinsk utrustning. Studien kom ut i ACS Nano-bokstäver .

Den nya detektorn är beroende av störningar från plasmavågor. Interferens som sådan ligger bakom många tekniska tillämpningar och vardagliga fenomen. Det bestämmer ljudet av musikinstrument och orsakar regnbågens färger i såpbubblor, tillsammans med många andra effekter. Interferensen från elektromagnetiska vågor utnyttjas av olika spektrala enheter som används för att bestämma den kemiska sammansättningen, fysiska och andra egenskaper hos objekt – inklusive mycket avlägsna sådana, som stjärnor och galaxer.

Plasmavågor i metaller och halvledare har nyligen uppmärksammats mycket av forskare och ingenjörer. Som de mer välbekanta akustiska vågorna, de som förekommer i plasma är i huvudsak densitetsvågor, för, men de involverar laddningsbärare:elektroner och hål. Deras lokala densitetsvariation ger upphov till ett elektriskt fält, som knuffar andra laddningsbärare när den fortplantar sig genom materialet. Detta liknar hur tryckgradienten hos en ljudvåg driver gasen eller vätskepartiklarna i ett ständigt expanderande område. Dock, plasmavågor dör snabbt i konventionella ledare.

Som sagt, tvådimensionella ledare gör det möjligt för plasmavågor att utbreda sig över relativt stora avstånd utan dämpning. Det blir därför möjligt att observera deras störningar, ger mycket information om materialets elektroniska egenskaper. Plasmoniken i 2-D-material har dykt upp som ett mycket dynamiskt fält inom den kondenserade materiens fysik.

Under de senaste 10 åren, forskare har kommit långt med att upptäcka THz-strålning med grafenbaserade enheter. Forskare har utforskat mekanismerna för T-vågsinteraktion med grafen och skapat prototypdetektorer, vars egenskaper är i nivå med liknande enheter baserade på andra material.

Dock, studier har hittills inte tittat på detaljerna i detektorinteraktion med distinkt polariserade T-strålar. Som sagt, enheter som är känsliga för vågornas polarisering skulle vara användbara i många tillämpningar. Studien som rapporteras i denna berättelse demonstrerade experimentellt hur detektorsvaret beror på polariseringen av infallande strålning. Dess författare förklarade också varför så är fallet.

Studiens medförfattare Yakov Matyushkin från MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials kommenterade:"Detektorn består av en kiselskiva 4 gånger 4 millimeter tvärs över, och en liten bit grafen 2 gånger 5 tusendelar av en millimeter i storlek. Grafenen är ansluten till två platta kontaktdynor gjorda av guld, vars fluga form gör detektorn känslig för polarisation och fas av infallande strålning. Förutom det, grafenskiktet möter också en annan guldkontakt i toppen, med ett icke-ledande lager av aluminiumoxid mellan dem."

Inom mikroelektronik, denna struktur är känd som en fälttransistor, med de två sidokontakterna som vanligtvis kallas en källa och ett avlopp. Toppkontakten kallas en grind.

Terahertzstrålning är ett smalt band av det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågor och det långt infraröda ljuset. Ur applikationssynpunkt, en viktig egenskap hos T-vågor är att de passerar genom levande vävnad och genomgår partiell absorption men orsakar ingen jonisering och skadar därför inte kroppen. Detta skiljer THz-strålning från röntgenstrålar, till exempel.

Följaktligen, de tillämpningar som traditionellt övervägs för T-strålar är medicinsk diagnostik och säkerhetskontroll. THz-detektorer används också inom astronomi. En annan framväxande tillämpning är dataöverföring vid THz-frekvenser. Detta innebär att den nya detektorn kan vara användbar för att etablera nästa generations kommunikationsstandarder för 5G och 6G.

"Terahertz-strålning riktas mot ett experimentellt prov, ortogonalt mot dess yta. Detta genererar fotospänning i provet, som kan plockas upp av externa mätanordningar via detektorns guldkontakter, " kommenterade studiens medförfattare Georgy Fedorov, biträdande chef för MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials. "Det som är avgörande här är vad den detekterade signalens karaktär är. Den kan faktiskt vara annorlunda, och det varierar beroende på en mängd externa och interna parametrar:provgeometri, frekvens, strålningspolarisation och kraft, temperatur, etc."

I synnerhet, den nya detektorn är beroende av den typ av grafen som redan tillverkats industriellt. Grafen finns i två typer:Materialet kan antingen exfolieras mekaniskt eller syntetiseras genom kemisk ångavsättning. Den förra typen har högre kvalitet, färre defekter och föroreningar, och innehar rekordet för laddningsoperatörens mobilitet, vilket är en avgörande egenskap för halvledare. Dock, det är CVD-grafen som industrin kan tillverka skalbart redan idag, vilket gör det till det valda materialet för enheter med en ambition om massproduktion.

En annan medförfattare till studien, Maxim Rybin från MIPT och Prokhorov General Physics Institute vid Ryska vetenskapsakademin är VD för grafentillverkaren Rusgraphene, och han hade detta att säga om tekniken:"Det faktum att det var CVD-grafen som vi observerade plasmavågsinterferens i, innebär att sådana grafenbaserade THz-detektorer är lämpliga för industriell produktion. Så vitt vi vet, detta är den första observationen av plasmavågsinterferens i CVD-grafen hittills, så vår forskning har utökat materialets potentiella industriella tillämpningar."

Teamet visade att arten av den nya detektorns fotorespons har att göra med plasmavågsinterferens i transistorkanalen. Vågutbredning börjar vid de två motsatta ändarna av kanalen, och antennens speciella geometri gör enheten känslig för polarisationen och fasen av den detekterade strålningen. Dessa funktioner innebär att detektorn kan visa sig användbar för att bygga kommunikations- och informationsöverföringssystem som arbetar med THz- och sub-THz-frekvenser.

Studien som rapporteras i denna berättelse var medförfattare av forskare från MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials och deras kollegor från Moscow State Pedagogical University, Ioffe Institute of the Russian Academy of Sciences, och universitetet i Regensburg, Tyskland. Denna forskning stöddes av den ryska stiftelsen för grundforskning och det ryska ministeriet för vetenskap och högre utbildning.