Fysikere OK kommerciel grafen til T-bølgedetektion

Russiske forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT) og Valiev Institut for Fysik og Teknologi har påvist resonansabsorption af terahertz-stråling i kommercielt tilgængelig grafen. Dette er et vigtigt skridt i retning af at designe effektive terahertz-detektorer for at muliggøre hurtigere internet og en sikker erstatning for røntgen-kropsscanninger. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt .

Grafen optoelektronik

Siden Andre Geim og Kostya Novoselov modtog Nobelprisen i fysik i 2010 for at studere grafens unikke elektroniske egenskaber, interessen for dette materiale er aldrig faldet. Grafen er virkelig todimensionelt:Det består af et et-atom-tykt lag kulstof, hvilket er en af ​​grundene til, at dens egenskaber er så fantastiske. Den er tynd, men mekanisk stærk, uigennemtrængelige selv for heliumatomer, og leder elektricitet og varme særdeles godt. Den høje mobilitet af elektroner i grafen gør det til et lovende materiale til ultrahurtige fotodetektorer, inklusive dem, der opererer i terahertz-området.

THz stråling, også kendt som T-bølger, er lige så vanskelig at generere og at opdage. Dette gav anledning til forestillingen om et "terahertz-gab, ", som refererer til 0,1-10 THz frekvensbåndet i det elektromagnetiske spektrum. Der er ingen effektive anordninger til at generere og detektere stråling i dette område. Ikke desto mindre, T-bølger er meget vigtige for menneskeheden:De skader ikke kroppen og kan derfor erstatte røntgenstråler i medicinske scanninger. Også, T-bølger kunne gøre Wi-Fi meget hurtigere og låse op for et dårligt undersøgt bånd af kosmisk stråling til astronomisk forskning.

På trods af grafens store potentiale til fotodetektion, dets monolag absorberer kun omkring 2,3 % af ekstern stråling, hvilket ikke er nok til pålidelig detektion. En måde at undgå dette på er at lokalisere feltet tæt på grafen, tvinger en elektromagnetisk bølge til at koble sig med grafenelektroner og excitere resonanssvingninger. Den resulterende kollektive bølge af det elektromagnetiske felt og ledningselektroner er kendt som en overfladeplasmon. Det tilsvarende fænomen med plasmonresonans er den forbedrede lysabsorption på grund af excitationen af ​​overfladeplasmonbølger.

Desværre, dette fænomen er ikke observeret i et kontinuerligt ark af en leder belyst med plane bølger. Plasmonbølgelængden er for kort sammenlignet med fotonens, derfor kan disse to bølger næppe være synkrone. For at imødegå denne ulighed, et metalgitter er placeret over grafenfilmen. Det ligner en lille kam med tænder mindre end en mikrometer fra hinanden.

Grafen:Forventninger vs. virkelighed

Dusinvis af teknikker er tilgængelige til fremstilling af grafen. De adskiller sig med hensyn til slutproduktets kvalitet og arbejdsintensitet. Forskere, der roser den høje elektronmobilitet i grafen, har ofte nedtonet, hvor svært dette materiale er at fremstille.

Grafen af ​​højeste kvalitet fremstilles ved mekanisk eksfoliering. Dette involverer at placere et stykke grafit mellem to klæbende bånd, som derefter river gradvist tyndere lag af i flere iterationer. På et tidspunkt, fragmenter af grafen - dvs. monolagsgrafit - dukker op. Sådan "håndlavet" grafen har de bedste egenskaber til anvendte enheder, såsom resonans-T-bølgedetektoren baseret på indkapslet grafen skabt af forskere fra MIPT, Moskva stats pædagogiske universitet, og University of Manchester. Desværre, grafenflager fremstillet ved mekanisk eksfoliering er kun mikrometer på tværs, tage flere måneder at producere, og ender for dyrt til seriel enhedsdesign.

Der er en lettere og skalerbar alternativ teknik til grafensyntese kaldet kemisk dampaflejring (CVD). Det involverer nedbrydning af gasser - normalt, en blanding af metan, brint, og argon - i en speciel ovn. Processen fører til, at der dannes en grafenfilm på et kobber- eller nikkelsubstrat. Den resulterende grafen har dårligere egenskaber og flere defekter end den mekanisk eksfolierede. Men CVD er i øjeblikket den teknologi, der er bedst egnet til at opskalere enhedsproduktion.

De russiske fysikere satte sig for at teste, om sådan grafen af ​​kommerciel kvalitet er god nok til THz-plasmonresonans-excitation, hvilket ville gøre det til et gyldigt materiale til T-bølgedetektorer.

"Rent faktisk, en CVD-produceret grafenfilm er ikke homogen. Som en polykrystal, den består af talrige sammensmeltede korn. Hver af dem er en ordnet region med et fuldstændig symmetrisk atommønster. Korngrænser, sammen med defekter, gør arbejdet med sådan grafen langt fra nemt, ", sagde studiemedforfatter og MIPT-kandidatstuderende Elena Titova.

Det tog holdet over et år at mestre arbejdet med CVD-grafen på Instituttets Center for Delte Forskningsfaciliteter. I mellemtiden kollegerne fra laboratoriets teoretiske afdeling var overbevist om, at der ikke ville blive observeret plasmonresonans. Årsagen er, at resonanssynlighed er bestemt af den såkaldte kvalitetsfaktor - dvs. hvor mange perioder feltet går, før elektronen støder på en gitterdefekt. Teoretiske estimater forudsagde en meget lav Q-faktor begrænset af hyppige elektrondefektkollisioner i CVD-grafen. Det sagt, den høje elektronmobilitet i grafen fremkommer ikke på grund af sjældne elektronkollisioner, men på grund af en lav masse af elektroner, hvilket muliggør deres hurtige acceleration til en høj hastighed.

Teori og eksperiment

På trods af de pessimistiske teoretiske forudsigelser, forfatterne af papiret besluttede at stadig gøre eksperimentet. Deres beslutsomhed blev belønnet:Absorptionsspektrene udviste de toppe, der indikerer plasmonresonans i CVD-syntetiseret grafen.

"Sagen er, at ikke alle defekter er ens, og elektroner kolliderer med forskellige defekter i jævnstrømsmålinger og THz-absorptionsmålinger, " kommenterer forskningsvejlederen, Dmitry Svintsov, der leder MIPT Laboratory of 2-D Materials for Optoelectronics. "I et DC-eksperiment, en elektron vil uundgåeligt støde på korngrænser på vej fra den ene elektriske kontakt til den anden. Men når de udsættes for T-bølger, det vil for det meste svinge inden for et enkelt korn, væk fra sine grænser. Dette betyder, at defekter, der forringer DC-ledningsevnen, faktisk er 'sikre' til T-bølgedetektion."

Et yderligere mysterium havde at gøre med hyppigheden af ​​resonant plasmon excitation, som var uenige med de tidligere eksisterende teorier. Det viste sig at være relateret til metalgitterets geometri på en uventet måde. Holdet fandt ud af, at når de var placeret tæt på grafen, gitteret (afbildet med orange i figur 1) modificerede plasmonfeltfordelingen. Dette førte til plasmonlokalisering under "kamtænderne, " hvis kanter fungerede som spejle for plasmoner. Forskerne formulerede en meget simpel teori, der beskriver fænomenet ud fra en analogi med den tæt-bindende model fra faststoffysikken. Teorien gengiver de eksperimentelle data godt uden at ty til passende parametre og kan bl.a. bruges til at optimere fremtidige T-bølgedetektorer.