Иллюстрация. «Волны в графене». Дизайнер: @tsarcyanide, пресс-служба МФТИ
Любая система беспроводной передачи информации предполагает наличие источников и детекторов электромагнитных волн. Однако не для любых волн на шкале электромагнитных излучений имеются такие источники и детекторы. Например, для волн с частотами в окрестности одного терагерца (длина волны 0,3 мм) источники либо потребляют огромную электрическую мощность (как вакуумные лампы), либо требуют низких температур (как квантовые каскадные лазеры). Существующие детекторы в терагерцовом диапазоне обладают высоким уровнем шумов. Между тем, использование терагерцовых волн сулит повышение скорости передачи данных в Wi-Fi-системах, развитие новых неинвазивных методов медицинской диагностики, а также открытие новых объектов в радиоастрономии.
Плазмоны, волны электронного моря
Причиной неэффективности существующих терагерцовых детекторов является значительная разница в длине волны излучения (доли миллиметра) и размере типичного детектирующего элемента — транзистора (единицы микрон и даже меньше). Можно считать, что волна «проскакивает» мимо обычного детектора, не замечая его. Выход из этой ситуации был указан в конце ХХ века, когда советские ученые Михаил Дьяконов и Михаил Шур предложили «спрессовать» электромагнитную энергию падающей волны в объем, сравнимый с объемом детектора. Это возможно, если материал детектора поддерживает особый тип «компактных» волн, называемых поверхностными плазмонами. Такие волны представляют собой согласованное движение электронов проводимости и электромагнитного поля, подобно согласованному движению ветра и поверхности морской воды при зарождении шторма. Эффективность предложенного плазмонного детектора в теории должна вырастать в разы, если на его длине укладывается определенное число длин волн плазмона. Это является проявлением общефизического принципа волнового резонанса, широко известного в практике музыкальных инструментов.
Экспериментальная реализация резонансного плазмонного детектора терагерцового излучения оказалась гораздо сложнее, чем написано в статьях теоретиков. В большинстве полупроводников волны электронного моря гаснут почти сразу после зарождения. Причина тому — сильные столкновения электронов с примесями и колеблющимися атомами. Выражаясь просторечиво, многие материалы представляли для электронных волн не гладкую поверхность моря, а заросший пруд. Значительные надежды в этой сфере связывали с новым материалом — графеном, монослоем из атомов углерода. Однако и он не обладал до недавних пор достаточной степенью чистоты, и все попытки создания резонансного детектора — в том числе попытки группы авторов — были безуспешными.
Детектор и спектрометр в одном флаконе…
Нынешняя работа группы как раз представляет долгожданное решение проблемы резонансного детектирования терагерцовых волн. Созданный учеными фотодетектор представляет собой слой графена, подключенный парой контактов к терагерцовой антенне, с другой пары контактов считывается сигнальное напряжение. Слой графена играет роль резонатора для плазмонов. Ключевыми идеями, позволившими достичь резонанса, оказались «упаковка» графена между двумя кристаллами нитрида бора, использование двухслойного графена вместо однослойного, а также выверенные геометрические пропорции детектирующего элемента. В сэндвиче «нитрид бора — двухслойный графен — нитрид бора» примеси выталкиваются на края образца, давая путь для беспрепятственного распространения плазмонов. Двухслойность же графена открывает огромную свободу в электрической настройке скорости волн. С помощью напряжения на управляющем электроде (так называемом «затворе») авторам удалось вводить и выводить детектор из состояния резонанса, переключаясь между более чем десятью разными гармониками.
Рисунок. Принципиальная электрическая схема транзисторного детектора терагерцового излучения (слева) и изображение реального прибора в оптическом микроскопе (справа). Справа вверху изображена антенна-бабочка, в центре которой размещен детектирующий элемент — графеновый транзистор. Слева: канал транзистора из двухслойного графена (bilayer graphene, BLG) зажат между кристаллами гексагонального нитрида бора (hBN), весь «сэндвич» находится на подложке окисленного кремния (SiO2/Si). Два лепестка терагерцовой антенны подключаются между истоком и затвором (левый и верхний электроды), сигнальное напряжение ΔU считывается между истоком и стоком (два крайних электрода)
«Наш детектор является, по сути, компактным спектрометром терагерцового излучения, то есть по его сигналу можно узнать не только интенсивность света, но и его частоту. В лабораторных спектрометрах это достигается путем перемещения зеркал. Здесь же прибор имеет размер в несколько микрон, а спектроскопия может осуществляться путем изменения электрического напряжения», — комментирует Георгий Федоров, один из авторов статьи, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.
… и новый метод фундаментальной науки
Хотя создание компактного детектора-спектрометра терагерцового излучения уже является важным практическим достижением, авторы вдобавок показали ценность данного устройства и для фундаментальной науки. Измеряя ток детектора при изменении концентрации электронов и частоты, можно изучать свойства самих поверхностных плазмонов — например, длину волны и время затухания. Раньше для этих же целей в лабораториях обычно использовался сканирующий ближнепольный микроскоп — прибор со сложной системой линз и зеркал, занимающий целый оптический стол.
«Наши устройства, помимо своего практического использования, предлагают еще и удобный метод для исследования плазмоники в двумерных материалах. Используя это метод, мы обнаружили новый необычный тип волн в электронном море графена, что послужит основой нашей дальнейшей деятельности», — поясняет Денис Бандурин, один из авторов статьи, научный сотрудник лаборатории физики конденсированного состояния вещества в Манчестерском университете.
Исполнение мечты о резонансном детектировании излучения в графене, родившейся почти сразу после открытия графена, не является для авторов поводом расслабиться и прекратить работу.
«Наша работа ставит больше вопросов, чем дает ответов. Эксперимент показывает, что преобразование терагерцового излучения в постоянный ток идет не совсем по предсказанным законам. Также контрастность резонансов не столь хороша, как утверждает простая теория. Поначалу это огорчает, но затем заставляет нас искать подводные камни, приводящие к затуханию плазмонов. Некоторые из них мы уже обнаружили. Когда их удастся устранить, спектр применений плазмонных детекторов станет еще шире», — рассказывает Дмитрий Свинцов, один из авторов работы, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.
Работа российской части коллектива была поддержана Российским научным фондом.
Студенты, аспиранты и молодые ученые, желающие присоединиться к сложной и интересной работе группы по фотодетекторам на основе графена, могут обращаться к авторам:
- Дмитрию Свинцову svintcov.da@mipt.ru (зав. лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, теоретические исследования);
- Георгию Федорову fedorov.ge@mipt.ru (зам. зав. лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ, экспериментальные исследования).
