Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов
Исследованиями двумерных материалов сегодня активно занимаются не только на родине графена — Великобритании, но и в Китае, США, Южной Корее, Индии, Японии, Германии, Иране… Россия же понемногу теряет свои позиции в графеновой гонке: с 5,6% от общего числа публикаций по этой тематике в середине прошлого десятилетия до 2% в 2017 году. В нашей стране по-прежнему отсутствуют целевые программы по исследованиям двумерных материалов. Поэтому работы в этой области ведутся по инициативе отдельных ученых. Ситуация могла бы измениться в случае создания в России собственного графенового центра, подобного тем, что активно открываются в последние годы по всему миру. Какую же роль играет Физтех в этой сфере сегодня и какую может сыграть в ближайшем будущем?
В сентябре 2016 года на Физтехе был организован Центр фотоники и двумерных материалов, который сегодня включает четыре лаборатории: нанооптики и плазмоники, оптоэлектроники двумерных материалов, терагерцовой спектроскопии, двумерных материалов и наноустройств. Основные задачи Центра — разработка на основе графена и других двумерных материалов нового класса оптоэлектронных приборов и компонентов, таких как нано- и биосенсоры, нанолазеры, высокочувствительные фотодетекторы и ИК-камеры.
Алексей Арсенин, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, комментирует: «Помимо лабораторий центра, ряд других ученых МФТИ ведут исследования в области 2D-материалов. Например, в нашем институте занимаются синтезом двумерных дихалькогенидов переходных металлов, разработкой функциональных элементов электроники и созданием печатной электроники на основе двумерных материалов, фундаментальными исследованиями двумерных топологических изоляторов. Сотрудники Физтеха уже достигли значимых результатов в разработке устройств на основе графена, моделировании новых двумерных материалов и исследовании их свойств».
Для продвижения своих результатов и привлечения внимания научного сообщества к своей деятельности уже давно изобретен рецепт — проведение крупной научной конференции. И на этом поприще центр также активно работает. В этом году ИТМО в сотрудничестве с Центром фотоники и двумерных материалов МФТИ была проведена международная конференция METANANO.
«В конце сентября 2019 года мы с коллегами при поддержке МФТИ организуем в Сочи международную конференцию, посвященную исследованию и применениям графена и других двумерных материалов. Организация такой конференции в России имеет целью привлечение внимания специалистов к исключительным перспективам этого принципиального нового класса материалов. В России соберутся признанные мировые лидеры в этой области с которыми мы обсудим в том числе создание в России международного центра графена и 2D-материалов», — сообщает заведующий лабораторией нанооптики и плазмоники Валентин Волков.
Нанотрубки
Graphene application
«Мы исследуем свойства носителей заряда вне зависимости от того, двумерный это материал или трехмерный. Смотрим, как ведут себя заряды в данном материале и почему они себя так ведут. Одними из наиболее интересных объектов, которые мы исследовали методами оптической спектроскопии, для нас стали однослойные углеродные нанотрубки и пленки из этих нанотрубок. Спектроскопические методы позволяют определять микроскопические механизмы электропроводности таких объектов и вычислять их макроскопические характеристики, необходимые для разработки приборов», — рассказывает заместитель заведующего лабораторией терагерцовой спектроскопии Елена Жукова.
Автоматизированная система визуализации
С точки зрения теории углеродные нанотрубки — это довольно простой объект, его легко промоделировать и потом сравнить полученные экспериментальные результаты с тем, что предсказывает теория. Однако совокупность нанотрубок, их взаимная ориентация, плотность упаковки и т.п. могут приводить к довольно неожиданным эффектам. Изучая электродинамические свойства сложных систем из нанотрубок можно объяснить эти результаты.
Елена Жукова добавляет: «Наша настоящая работа связана с тем, что из углеродных нанотрубок можно сделать довольно тонкие и плотные слои. Несмотря на высокую плотность такой слой нанотрубок, как ни странно, все еще остается прозрачным в видимом диапазоне частот и при этом достаточно хорошо проводит электрический ток. То есть это хорошо проводящий по полупроводниковому типу проводимости материал, который является прозрачным в оптическом диапазоне частот. Дополнительную привлекательность для различных применений нанотрубочным пленкам придает их легкость (относительно сплошных металлических пленок), химическая и механическая стабильность».
Тонкие слои углеродных нанотрубок пропускают свет и могут проводить электричество. Это делает их перспективным материалом для оптоэлектроники, например, для разработки фотодетекторов и прозрачных солнечных элементов. Собственная проводимость нанотрубок не очень высокая. Чтобы ее повысить или изменить в желательном направлении, их допируют различными соединениями, что приводит к увеличению проводимости постоянного или низкочастотного тока. При этом пропускная способность в видимой области почти не меняется. По словам Елены Жуковой, о сверхпроводимости нанотрубок речь пока не идет.
Графен.Био
Оптический стол в лаборатории нанооптики и плазмоники
Биосенсоры
В 2011 году на Физтех пришла компания BiOptix — американский стартап из города Боулдер, Колорадо. Один из основателей компании — Вячеслав Петропавловских, выпускник Физтеха. Здесь они провели курс обучения работе с производимым ими прибором — биосенсором. Этот прибор представляет из себя кейс, в котором находится лазер, оптическая система и система микрофлюидики — маленькие трубки с переключателями, которые могут забирать раствор и подводить к стеклянной пластинке с тонкой металлической пленкой и биослоями сверху. На пластинку прикрепляют молекулярные мишени. Прибор точно отслеживает, как меняется масса молекул на поверхности этого чипа с помощью оптического метода.
«Молекулы прикрепляются на поверхность биосенсорного чипа с помощью связующего слоя из оксида графена. Если светить на металлическую пленку через призму, угол минимального отражения будет меняться в ходе изменения массы молекул на поверхности пластинки. Так можно наблюдать в реальном времени за биохимическими реакциями и, соответственно, извлекать из них кинетику. Это практически единственный метод, как можно получать кинетику таких реакций, что обусловило популярность этого прибора у фармакологов. Для них очень важно исследовать, как лекарство действует на какую-то мишень в организме», — описывает старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Юрий Стебунов.
В последнее время на рынок начали выходить так называемые биодженерики, то есть «копии» биотехнологических лекарств. В их число входят лекарства от рака на основе антител. Однако есть проблема: невозможно синтезировать идентичное антитело. Молекулу с химической формулой, как у аспирина, можно получить точно такую же, но и она будет по-другому действовать в зависимости от того, как ее упаковать в таблетку. С биодженериком такое невозможно вовсе.
Используемые в подобных лекарствах молекулы очень большие, они состоят из аминокислот и синтезируются клетками. После того как клетка произвела такую молекулу, она может принять другую конформацию. То есть даже если химический состав молекул будет одинаков, они могут действовать очень по-разному.
И сейчас на рынке уже представлены биодженерики, которые на первый взгляд должны работать как оригинальное лекарство, а стоят в 5-10 раз дешевле. Но при детальном изучении с помощью биосенсора обнаруживается, что лекарство абсолютно по-другому работает. Организации FDA (Food and Drug Administration) в США и EMA (European Medicines Agency) в Европе вставляют в регламенты испытаний обязательное тестирование биодженериков этими приборами. Изучается также и то, как собственный иммунитет человека реагирует на эти лекарства: после приема биодженерика у пациента берут анализ крови. Антитела в крови также проверяют с помощью биосенсора.
«Однако он не может использоваться на всех стадиях разработки лекарств, потому что у него недостаточно высокая чувствительность. В организме есть целый ряд интересных молекул — рецепторов. И сейчас больше половины новых лекарств действуют на них. Поэтому было бы очень интересно, посмотреть как именно лекарство действует на рецептор, как оно связывается и численно это измерить. Но сделать это с помощью биосенсора сейчас невозможно. Рецептор очень большой, а молекула очень маленькая, и нам не хватает чувствительности, чтобы посмотреть, как она присоединяется. Мы стали думать, как повысить чувствительность прибора, и предложили для этого использовать графен, оксид графена и ряд других двумерных материалов», — делится Юрий Стебунов.
В лаборатории нанооптики и плазмоники
Изначально на пластинку наносился полимерный гидрогель, к которому цепляются исследуемые молекулы. В лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ заменили гидрогель на оксид графена. Поскольку это двумерный материал, его площадь поверхности на единицу массы или объема максимальна из всех возможных. Бóльшая площадь поверхности означает, что будет прикрепляться больше молекул, то есть бóльшую чувствительность измерений. Полученный результат — увеличение чувствительности прибора в 30 раз.
«Как делается такой биосенсор? Берется специальная стеклянная подложка. После химической и плазменной очистки на нее в чистой зоне напыляют металлические пленки и получают базовую подложку для биосенсорного чипа. Нами разработана технология нанесения тонких слоев оксида графена для создания связующих слоев на таких подложках. Далее готовый биосенсорный чип можно вставить в специальный контейнер-держатель (для конкретного коммерческого прибора он свой) — и все, можно использовать. От идеи до фактической реализации у нас ушло около семи лет, большая часть времени ушла на подготовку патентов, создание компании. Сейчас мы продумали, как производить эти пластинки в количествах несколько тысяч в месяц. Рыночная стоимость одного такого чипа для потребителя может доходить до 200–300 долларов. И для большинства применений они одноразовые», — продолжает Юрий.
Нейроинтерфейсы
Естественным продолжением биосенсорной тематики в лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ стала разработка нейроинтерфейсов на основе двумерных материалов. Это новое направление в лаборатории. Графен хорошо проводит ток, при этом доказано, что он биосовместим: на нем растут клетки. Более того, в организме человека есть ферменты, которые его перерабатывают. То есть можно говорить о безопасности графена: все последние исследования показывают, что он нетоксичен для человека. И как электрод в нейроинтерфейсах он гораздо лучше металлов или полупроводников. Полупроводники достаточно токсичны, а электроды из металла, естественно, массивнее и оказывают более заметное воздействие на живые ткани, по сравнению с одноатомным слоем углерода, который можно назвать практически неинвазивным.
Любой нейроинтерфейс должен выполнять по крайней мере три функции: считывание, запись и обработку сигналов. Первая и вторая функции могут быть осуществлены при помощи электродов на гибкой подложке, которые непосредственно взаимодействуют с мозгом. Обрабатывающее устройство может быть вынесено наружу. В ряде лабораторий уже проведены эксперименты на мышах и крысах и показано, что графеновые нейроинтерфейсы работают.
«Мы сейчас делаем графено-металлические структуры, которые должны использоваться в нейроинтерфейсах. Изучаем их свойства. Контакт хорошего металла и графена сделать непросто. Потому что металлы по-другому растут, нежели графен. И мы подбираем условия, при которых они растут нужным образом. Для создания работающего прототипа еще многое предстоит сделать, но мы оптимистичны и предполагаем сделать такой нейроинтерфейс в течение двух лет», — заключает Юрий Стебунов.
Графеновая фотоника
«Мы занимаемся двумерными материалами для приложений в оптоэлектронике: в основном для фотодетекторов и для источников излучения разных частот. Эта задача может показаться уже решенной — действительно, лазеры и датчики излучения есть повсюду, без них нашу жизнь невозможно представить. Но на самом деле они существуют далеко не для всех длин волн. Оказывается, на шкале электромагнитного излучения, которая висит в любом кабинете физики, есть темные пятна, где практически ничто не светит и не детектирует. И одно из таких темных пятен — это терагерцовый диапазон: от 0,1 ТГц до 10 ТГц, то есть длины волн порядка миллиметра. Большинство полупроводниковых материалов пассивны для этого излучения, они его не поглощают и, соответственно, не излучают», — рассказывает заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Дмитрий Свинцов.
Графен и его модификации взаимодействуют с терагерцовым излучением. Это связано с тем, что у него другая структура энергетических уровней, нежели у привычных материалов. Например, в атоме водорода энергетические уровни разнесены на единицы электрон-вольт и, соответственно, поглотиться может только фотон с маленькой длиной волны, то есть с большой энергией. В графене эти уровни лежат гораздо ближе друг к другу, он взаимодействует с фотонами малой энергии, а значит, на основе графена можно создавать эффективные детекторы и источники терагерцового излучения.
Фотодетектор на основе графена
Запрещенная зона большинства полупроводников — минимальная энергия фотона, который он может поглотить. И для терагерцовых приложений нужны материалы с узкой запрещенной зоной. В графене же ее вообще нет: валентная зона и зона проводимости слипаются вплотную.
Сотрудники лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов
Двумерность графена, точнее то, что он представляет собой атомарную плоскость, удобна для его применения в технологии. Компактность позволяет легко разместить этот материал в оптическом волноводе или сделать фотодетектор на чипе.
Разработка фотодетектора
Фотография терагерцового детектора на основе графена. Терагерцовое излучение собирается антенной-бабочкой и фокусируется на слой графена в центре. В самом графене высокочастотный сигнал конвертируется в постоянный фототок Iout, который измеряется амперметром
Потребность в малошумящих фотодетекторах остро испытывается и в более привычных областях спектра, например, в среднем ИК-диапазоне, где длина волны составляет около 5–10 микрон. В этой области находятся многие спектральные линии поглощения органических молекул. Сейчас в этом диапазоне чаще всего применяются полупроводниковые детекторы на основе кадмия, ртути и теллура. Для подавления шумов существующие детекторы надо охлаждать до температуры жидкого азота. Одним из главных стимулов к исследованию графеновых инфракрасных фотодетекторов является возможность их работы при комнатной температуре.
«Фотодетектор на основе графена будет представлять собой не просто фоточувствительную плоскость из этого материала, его устройство сложнее. Мы работаем с транзисторными фотодетекторами, где у графена есть два электрических контакта — сток и исток, а также управляющий контакт — изолированный затвор. Сток и исток выводятся на антенну, напоминающую галстук-бабочку, в узле которой находится графен. Задача этой антенны — сфокусировать падающее излучение на графен. Под действием излучения между этими двумя контактам возникает фотоотклик — постоянное напряжение. Так выглядит наиболее перспективная конструкция прибора», — продолжает Дмитрий Свинцов, — «В графене существует множество механизмов фотодетектирования, или превращения света в ток. Некоторые из них присущи только графену и не реализуются в привычных материалах — кремнии, германии и арсениде галлия. Обычно фотодетектирование происходит при растаскивании электрон-дырочных пар, которые образуются при освещении полупроводникового p-n-перехода. В графене к этому добавляются сильные термоэлектрические эффекты. В исследуемой нами схеме транзисторного фотодетектора дополнительный фототок возникает из-за асимметричного эффекта поля. Важно, что все три механизма детектирования работают сообща и тянут ток в одну сторону, что мы и показали в недавней работе».
Принципиальная схема терагерцового детектора на основе графена
Фотодетекторы на основе графена будут обладать широкой полосой длин волн, в которой будет возможно принимать излучение, низким уровнем шумов и высокой чувствительностью по сравнению с представленными сегодня на рынке приборами. Благодаря высокой электронной подвижности в графене эти детекторы будут работать очень быстро — то есть обладать коротким временем отклика, порядка пикосекунд. Недавние исследования сотрудников МФТИ Дмитрия Свинцова и Георгия Федорова, а также их коллег из университета Манчестера (родины графена) и Московского педагогического государственного университета выявили еще одно удивительное явление. Оказалось, что электроны в графене под действием терагерцового излучения могут резонировать подобно гитарной струне, и частоту этого резонанса можно менять с помощью электрического напряжения — подобно изменению частоты струны путем напряжения механического. Это открытие позволит создавать детекторы, чувствительные не только к интенсивности, но и к частоте излучения, — то есть полноценные спектрометры размером всего в несколько микрон.
Создание источника излучения
Принципиальная схема лазера на основе структуры «графен-диэлектрик-графен», использующей явление резонансного туннелирования. На вставке: энергетическая диаграмма туннелирования электрона между слоями графена с испусканием фотона
«Предел частоты излучения современных полупроводниковых лазеров составляет порядка 10 ТГц. Предел рабочей частоты генераторов, основанных на радиоэлектронных принципах — около 0,1 ТГц. Все, что излучает в промежуточной области, — в так называемой терагерцовой щели — требует либо низких температур, либо огромной подводимой мощности при низком КПД. Мы работаем над закрытием терагерцовой щели с помощью приборов на основе двумерных электронных систем. Движемся мы одновременно с двух сторон — и со стороны радиоэлектроники, с низких частот, и со стороны фотоники, с высоких частот», — говорит Дмитрий Свинцов.
В двумерных электронных системах, например, в графене и теллуриде кадмия-ртути, можно сблизить энергетические уровни электронов и дырок так, чтобы излучение лежало в желаемом терагерцовом диапазоне. Но этого недостаточно: необходимо, чтобы при взаимном уничтожении электрона и дырки энергия уходила в свет, а не в тепло. Решение последней проблемы возможно благодаря тому, что электроны и дырки во многих двумерных системах похожи по своим свойствам на релятивистские электроны и позитроны в ускорителях элементарных частиц. А для последних безызлучательная рекомбинация запрещена законами сохранения. Реализация идеи запрета безызлучательной рекомбинации в двумерных системах — одно из ключевых направлений работы лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов. Недавние теоретические исследования ее сотрудников, а также эксперименты, проведенные их коллегами в университете Тохоку и Институте физики микроструктур РАН, подтверждают возможность создания эффективного терагерцового лазера на основе двумерных электронов.
«Вторым фронтом мы наступаем на терагерцовую щель со стороны низких частот, используя принципы СВЧ-электроники. Мы работаем над генерацией терагерцового излучения при пропускании постоянного тока в транзисторах с двумерным каналом. Дело в том, что постоянный электрический ток при некоторых условиях переходит в быстропеременный режим, а переменное движение заряженных частиц приводит к излучению. Полевой транзистор с двумерным каналом здесь аналогичен флейте, где постоянный поток воздуха рождает звук», — поясняет Дмитрий Свинцов.
До недавнего времени гидродинамическое описание течения электронов считалось самым примитивным, и исследователи все больше обращались к продвинутой квантовой механике для описания переноса тока. Возвращение к идеям гидродинамики и переосмысление законов протекания тока произошло, опять же, благодаря графену. Манчестерская группа Андрея Гейма продемонстрировала в графене возникновение «водоворотов» в потоке электронов, что свидетельствует в пользу гидродинамического характера течения. Эти исследования, а также теоретические работы ученых из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, говорят о возможности создания терагерцовых источников излучения на основе неустойчивостей электронных потоков.
Графеновому центру на Физтехе быть?
Двумерные материалы — своего рода новая «квантовая механика» XXI века. Количество публикаций по этой теме выросло с 0,2% от всех научных статей в 2010 году до 1,3% в 2017. Для сравнения число публикаций с упоминанием слова «лазер» составляет около 1,7%. С двумерными материалами связаны большие ожидания в части их практического применения в самых различных областях — фотонике и электронике, авиастроении, технологиях освоения космоса, вооружении и военной технике, а также энергетической отрасли.
Иллюстрация структуры графена
Эти ожидания привели к созданию по всему миру специализированных научных центров. В Европе и Азии именно в графеновых центрах выполняются наиболее значимые исследования в области двумерных материалов. Такие центры уже сегодня помогают осуществлять переход от фундаментальных исследований к передовым технологиям. И если наша страна не хочет остаться на обочине в гонке современных технологий, создание графенового центра, например, подобного Национальному институту графена в Манчестере, просто необходимо.
Семь десятилетий назад одним из прообразов создающегося Физтеха был Кембриджский университет, в котором долгое время работал Пётр Капица — один из отцов-основателей нашего института. Кажется, опыт перенесения успешных западных моделей научных учреждений на отечественную почву в Долгопрудном уже неплохо отработан. Возможно, стоило бы всерьез задуматься о создании Национального научно-образовательного и инжинирингового центра графена и 2D-материалов именно на Физтехе?
«Я согласен с нобелевским лауреатом Жоресом Алфёровым, что главное для успеха науки — потребность своей промышленности. Сегодня у промышленности есть потребность в передовой науке, хотя, возможно, они еще не совсем это осознают. Когда-то давно я придумал формулу, которая мне казалась оригинальной. Слепо копировать то, что делается на Западе, конечно, можно. Но наступит момент, когда, заимствуя, вы не сможете понять зачем в этом устройстве такой-то элемент. Если вы не будете заниматься наукой, постепенно утратите понимание, и заимствование станет бессмысленным. А сегодня в науке главное — это финансирование. И графеновому центру на Физтехе безусловно быть, если на это будут выделены деньги, конечно. Это было бы правильно, потому что в Европе, США, Южной Корее, Японии и особенно в Китае на эти исследования выделяются очень большие средства», — считает заведующий лабораторией двумерных материалов и наноустройств Виктор Рыжий.
Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ, рассказывает: «Сегодня в России существует острейшая необходимость в изучении свойств графена и его внедрении в практические разработки. И одного энтузиазма исследователей различных уровней здесь недостаточно. Определяющее значение имеет финансирование исследований и разработок. В очередной раз мы получили этому яркое подтверждение во время нашего посещения церемонии открытия графенового центра в городе Вэйхай в Китае. Щедрое государственное финансирование не только способствует выдвижению Китая на передовые позиции в данной области, но и привлекает в курортный город ученых и инженеров со всего мира. Думаю, что концентрация уже ведущихся в МФТИ фундаментальных исследований и практических разработок послужит хорошей затравкой для более масштабного исследования двумерных материалов и возможностей их применения для нужд нашей экономики».
1
