Графен помог различить закрученность терагерцового излучения

Физики создали широкополосный чувствительный к поляризации детектор терагерцового излучения на основе графена. Разработка может найти применение в системах связи и передачи информации нового поколения, системах безопасности и медицине. Работа опубликована в престижном журнале ACS Nano Letters. 

Принцип работы детектора основан на интерференции плазменных волн.  Явление интерференции играет важную роль во многих областях науки и повседневной жизни. Оно определяет звучание музыкальных инструментов, радужную окраску поверхности мыльных пузырей и множество других эффектов. Интерференция электромагнитных волн используется в различного рода спектральных приборах, с помощью которых мы получаем информацию о химическом составе, физических параметрах и других свойствах окружающих нас объектов, в том числе и об очень удаленных (звезды, галактики).

С недавних пор ученые стали все активнее изучать и использовать так называемые плазменные волны в металлах и полупроводниках. Как и более привычные нам акустические волны, плазменные волны представляют собой волны плотности, но только речь идет о носителях заряда — электронах или дырках. Изменение их локальной плотности приводит к возникновению электрического поля, которое, распространяясь в материале, приводит к движению других носителей заряда. Это происходит подобно тому, как изменение давления в звуковой волне заставляет двигаться все новые области газа или жидкости, в которых распространяется звуковая волна. В традиционных проводящих материалах такие плазменные волны очень быстро затухают, однако, в двумерных материалах плазменные волны могут распространяться без затухания на сравнительно большие расстояния, и поэтому оказывается возможным наблюдать их интерференцию. Поскольку такие наблюдения дают много новой информации об электронных свойствах материала, плазмоника двумерных материалов стала одним из наиболее бурно развивающихся направлений физики конденсированного состояния. 

Работы по детектированию терагерцового излучения при помощи графена ведутся уже не менее 10 лет. За это время ученые добились немалых результатов: исследовали различные механизмы взаимодействия излучения с графеном и создали прототипы детекторов, не уступающие коммерческим аналогам, работающим на основе других материалов. Однако до сих пор не была изучена природа взаимодействия графеновых детекторов с терагерцовым излучением разной поляризации. Хотя чувствительные к поляризации излучения детекторы могут быть полезны во многих прикладных задачах. В данном исследовании ученым удалось показать экспериментально, как отклик детектора зависит от поляризации падающего излучения, и объяснить, почему так происходит.

Яков Матюшкин, научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, рассказывает: «Детектор представляет собой кремниевую пластинку размером 4х4 мм. На этой пластинке лежит маленький кусочек графена размером 2х5 мкм (1 мкм — это одна миллионная доля метра). Графен соединен с двумя плоскими золотыми контактами, которые специально изготовлены в форме галстука-бабочки, для обеспечения чувствительности детектора к поляризации и фазе падающего излучения. Кроме того, сверху графен соединен с еще одним золотым контактом через слой диэлеткрика (оксид алюминия)». В микроэлектронике при описании таких структур принято называть один из боковых золотых контактов — истоком, а другой — стоком. Верхний контакт обычно называют затвором, а всю структуру вместе — полевым транзистором.

Терагерцовое излучение — это узкая область электромагнитного спектра, лежащая между дальними ИК и микроволнами. С точки зрения применений, его главной особенностью является тот факт, что оно проходит сквозь живые организмы, частично поглощаясь в тканях, но при этом не является ионизирующим и не оказывает вредного воздействия на организм. В отличие, например, от рентгеновского излучения. Поэтому традиционными областями, для которых исследуется применение этого излучения являются медицинская диагностика и системы безопасности. Кроме того, ТГц-детекторы применяются для исследований космоса. В последние годы для этого диапазона частот открывается новая прикладная область связанная с приемом-передачей и распространением информации. Разработанный детектор может оказаться полезным при создании телекоммуникационных стандартов связи нового поколения 5G и 6G.

«Терагерцовое излучение направляется на экспериментальный образец перпендикулярно его поверхности. Падающее излучение порождает в образце фотонапряжение, которое регистрируется внешними измерительными приборами, через золотые контакты на детекторе. Ключевым моментом является природа возникновения этого сигнала, — дает свой комментарий соавтор исследования Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ. — Она, вообще говоря, может быть различной. И может зависеть от целого набора внешних и внутренних параметров системы: геометрии образца, частоты, поляризации и мощности излучения, температуры и др.» 

Важно отметить, что для изготовления устройства использовался CVD-графен. Графен бывает двух видов. Механически отшелушенный и CVD. Первый — высококачественный, имеет мало дефектов и химических примесей, и именно в нем достигаются рекордные значения подвижности носителей заряда (важнейшее свойство полупроводников). CVD-графен — chemical vapor deposition — химически осажденный из газовой фазы. Качество CVD-графена значительно ниже, чем у отшелушенного (так получается из-за технологии его переноса на подложку). Однако у CVD-графена есть огромный плюс! Его производство возможно масштабировать, и уже сейчас есть возможность производить его в промышленном масштабе.

Один из соавторов исследования, научный сотрудник ИОФ РАН им. Прохорова и генеральный директор компании РУСГРАФЕН, Максим Рыбин говорит: «Тот факт, что нам удалось пронаблюдать интерференцию плазменных волн именно в CVD-графене — означает, что при необходимости возможно начать производить графеновые ТГц-детекторы в промышленном масштабе. Насколько нам известно, интерференция плазменных волн в CVD-графене ранее не наблюдалась, поэтому наше исследование расширяет возможности применения графена для индустрии».

Ученые показали, что природой фотоотклика детектора является интерференция плазменных волн в канале транзистора. Они распространяются с двух разных концов транзисторного канала (рисунок №2). Особая геометрия антенны позволяет осуществлять детектирование, чувствительное к поляризации и фазе излучения. Благодаря этим свойствам разработка может быть востребована при построении систем связи и передачи информации на ТГц и суб-ТГц частотах.

Совместно с сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Московского педагогического государственного университета, ФТИ  им. А.Ф. Иоффе и университета Регенсбурга (Германия).

Работа выполнена при поддержке РФФИ и Министерства образования и науки РФ.