Strid om terahertz fotorespons i grafen resulterer i uafgjort

Fysikere ved MIPT og deres britiske og russiske kolleger afslørede de mekanismer, der førte til fotostrømning i grafen under terahertz -stråling. Papiret offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver afslutter en langvarig debat om oprindelsen af ​​jævnstrøm i grafen belyst af højfrekvent stråling, og sætter også scenen for udviklingen af ​​højfølsomme terahertz-detektorer. Sådanne detektorer har anvendelser inden for medicinsk diagnostik, trådløse kommunikations- og sikkerhedssystemer.

I 2005, MIPT -alumner Andre Geim og Konstantin Novoselov undersøgte eksperimentelt elektroners adfærd i grafen, et fladt bikagegitter af kulstofatomer. De fandt ud af, at elektroner i grafen reagerer på elektromagnetisk stråling med en kvanteenergi, der henviser til, at de fælles halvledere har en energitærskel, under hvilken materialet slet ikke reagerer på lys. Imidlertid, elektronens bevægelsesretning i grafen udsat for stråling har længe været et kontroversielt punkt, da der er masser af faktorer, der trækker det i forskellige retninger. Kontroversen var især skarp i tilfælde af fotostrømmen forårsaget af terahertz -stråling.

Terahertz -stråling har et unikt sæt egenskaber. For eksempel, den passerer let gennem mange dielektrikker uden at ionisere dem - dette er af særlig værdi for medicinske diagnostiske eller sikkerhedssystemer. Et terahertz -kamera kan registrere våben gemt under en persons tøj, og en medicinsk scanner kan afsløre hudsygdomme på tidlige stadier ved at detektere spektrale linjer ("fingeraftryk") for karakteristiske biomolekyler i terahertz -området. Endelig, at øge bærefrekvensen for Wi-Fi-enheder fra flere til hundredvis af gigahertz (til sub-terahertz-området) vil øge båndbredden proportionalt. Men alle disse applikationer har brug for en følsom, støjsvag terahertz-detektor, der let fremstilles.

En terahertz -detektor designet af forskere ved MIPT, MSPU og University of Manchester er et grafenark (farvet grønt i figur et og to) klemt mellem dielektriske lag af bornitrid og elektrisk koblet til en terahertz -antenne - en metalspiral på cirka en millimeter i størrelse. Da stråling rammer antennen, det rocker elektroner på den ene side af grafenarket, mens den resulterende jævnstrøm måles på den anden side. Det er "pakningen" af grafen i bornitrid, der muliggør rekordhøje elektriske egenskaber, giver detektoren en følsomhed, der er et snit over de tidligere designs. Imidlertid, hovedresultatet af forskningen er ikke et instrument, der fungerer bedre; det er indsigten i de fysiske fænomener, der er ansvarlige for fotostrømmen.

Der er tre hovedvirkninger, der fører til elektrisk strøm i grafen udsat for terahertz -stråling. Den første, den fototermoelektriske effekt, skyldes temperaturforskellen mellem antenneterminalen og følerterminalen. Dette sender elektroner fra den varme terminal til den kolde, som luft, der stiger op fra en varm radiator op til koldt loft. Den anden effekt er udbedring af strøm på terminalerne. Det viser sig, at kanterne af grafen kun slipper igennem højfrekvenssignalet med en bestemt polaritet. Den tredje og mest interessante effekt kaldes plasmabølgerektifikation. Vi kan tænke på antenneterminalen som at vække "bølger i det elektroniske hav" i grafenstrimlen, mens sensorterminalen registrerer den gennemsnitlige strøm, der er forbundet med disse bølger.

"Tidligere forsøg på at forklare fotostrømmen i sådanne detektorer brugte kun en af ​​disse mekanismer og udelukkede alle de andre, "siger Dmitry Svintsov fra MIPT." I virkeligheden, alle tre er på spil, og vores undersøgelse fandt, hvilken effekt der dominerer under hvilke betingelser. Termoelektriske effekter dominerer ved lave temperaturer, mens plasmonisk udbedring hersker ved høje temperaturer og i instrumenter med længere kanal. Og det vigtigste er, at vi fandt ud af, hvordan man laver en detektor, hvor de forskellige fotoresponsmekanismer ikke vil annullere hinanden, men snarere forstærke hinanden. "

Disse eksperimenter vil bidrage til det bedste design til terahertz -detektorer og udviklingen af ​​fjerndetekteringsanordninger for farlige stoffer, sikker medicinsk diagnostik, og højhastigheds trådløs kommunikation.