Физики из МФТИ вместе с британскими и российскими коллегами выяснили, какие физические механизмы отвечают за возникновение фототока в графене под действием терагерцового излучения. Работа, опубликованная в Applied Physics Letters, с одной стороны завершает давний спор о причинах возникновения постоянного тока в графене при воздействии на него высокочастотным излучением, с другой — создает основу для разработки высокочувствительных терагерцовых детекторов. Такие детекторы востребованы в медицинской диагностике, беспроводной связи и системах безопасности.
В 2005 году выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новосёлов экспериментально изучили поведение электронов в плоских «сотах» из атомов углерода. Они выяснили, что электроны в графене реагируют на электромагнитное излучение с любой энергией кванта, тогда как в «обычных» полупроводниках существует минимальная энергия, ниже которой материал на свет не реагирует. Однако вопрос о том, в какую сторону будет двигаться электрон под воздействием излучения в графене, долгое время был дискуссионным — слишком много факторов «тянет» его в разные стороны. Особенно остро стоял этот вопрос для фототока, вызванного терагерцовым излучением.
Терагерцовое излучение интересно уникальным сочетанием свойств. Оно достаточно хорошо проходит через многие диэлектрики и при этом не является ионизирующим: это ценно для диагностических систем или систем безопасности. Терагерцовая камера сможет видеть спрятанное под одеждой оружие, а медицинский сканер сможет на ранних стадиях выявить заболевания кожи по спектральным линиям («отпечаткам пальцев») характерных белков в терагерцовом диапазоне. Наконец, повышение несущей частоты Wi-Fi устройств с единиц до сотен гигагерц (суб-терагерцовый диапазон) позволит пропорционально увеличить скорость передачи данных. Но для всех этих приложений нужно разработать чувствительный, недорогой и с низким уровнем помех детектор.
Терагерцовый детектор, созданный исследователями из МФТИ, МПГУ и Университета Манчестера (где, собственно, и открыли графен), представляет собой лист графена (изображен зеленым на рисунках 1 и 2), зажатый между диэлектрическими слоями нитрида бора и электрически подключенный к терагерцовой антенне — металлической спирали размером чуть менее миллиметра. Излучение, приходящее на антенну, раскачивает электроны на одной стороне листа графена, а на другой стороне считывается возникающий постоянный ток. Именно «упаковка» графена в нитрид бора позволяет достичь рекордных электрических характеристик; благодаря этому чувствительность созданного детектора на порядок превышает чувствительность предыдущих конструкций. Однако основным результатом работы является не улучшение приборных характеристик, а понимание физических явлений, ответственных за возникновение фототока.
Электрическая схема терагерцевого детектора на основе графена: терагерцевое излучение подается на антенну, присоединённую к левому (исток) и верхнему (затвор) контактам транзистора. Между левым и правым контактами возникает постоянный фототок (или постоянное напряжение, в зависимости от схемы измерения), сила которого является мерой интенсивности излучения. Дизайнер: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ
Рабочая область терагерцевого детектора: зеленая полоска — графен, золотые контакты ведут к антенне и к считывающему амперметру. Длина белой полоски — 6 микрон. Дизайнер: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ
Существует три основных эффекта, ответственных за возникновение тока при воздействии на графен терагерцового излучения. Первый — фото-термоэлектрический эффект — происходит из-за разности температур контакта, присоединенного к антенне, и считывающего контакта. Электроны при этом приходят в движение от горячего контакта к холодному, подобно воздуху, поднимающемуся вверх от теплой батареи. Второй эффект состоит в появлении выпрямленного тока на контактах: оказывается, что контакты к графену пропускают высокочастотный сигнал только при определенной полярности. Третий, наиболее интересный эффект, называется плазмонным выпрямлением. Можно считать, что контакт, присоединенный к антенне, запускает в графеновой полосе «волны в электронном море», а считывающий контакт регистрирует средний ток, связанный с этим волнением.
«Раньше фототок в подобных детекторах пытались объяснить лишь одним из этих механизмов, а другие полностью игнорировались, — рассказывает Дмитрий Свинцов, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, — В действительности, работают все три, и в нашей работе мы выяснили, какой эффект при каких параметрах доминирует. При низких температурах доминируют термоэлектрические эффекты, а при высоких температурах и в приборах с большой длиной канала — плазмонное выпрямление. Главное — мы поняли, как сделать детектор, где разные механизмы фотоотклика будут друг друга усиливать, а не мешать друг другу».
Информация, полученная в описанных экспериментах, позволяет подобрать верные технологические решения для создания терагерцовых детекторов и приближает нас к высокоскоростным Wi-Fi устройствам, безопасной медицинской диагностике и дистанционному обнаружению опасных веществ.
Работа была поддержана Российским научным фондом, Министерством образования и Науки РФ, Британским фондом и Российским фондом фундаментальных исследований.
