Grafendetektor afslører THz-lyspolarisering

Fysikere har skabt en bredbåndsdetektor for terahertz-stråling baseret på grafen. Enheden har potentiale for applikationer i kommunikation og næste generation af informationstransmissionssystemer, sikkerhed og medicinsk udstyr. Undersøgelsen kom ud i ACS Nano bogstaver .

Den nye detektor er afhængig af interferens fra plasmabølger. Interferens som sådan ligger til grund for mange teknologiske anvendelser og hverdagsfænomener. Det bestemmer lyden af ​​musikinstrumenter og forårsager regnbuens farver i sæbebobler, sammen med mange andre effekter. Interferensen af ​​elektromagnetiske bølger udnyttes af forskellige spektrale enheder, der bruges til at bestemme den kemiske sammensætning, fysiske og andre egenskaber ved objekter - inklusive meget fjerntliggende, såsom stjerner og galakser.

Plasmabølger i metaller og halvledere har på det seneste tiltrukket sig stor opmærksomhed fra forskere og ingeniører. Ligesom de mere velkendte akustiske bølger, dem, der forekommer i plasmaer, er i det væsentlige tæthedsbølger, også, men de involverer ladningsbærere:elektroner og huller. Deres lokale tæthedsvariation giver anledning til et elektrisk felt, som skubber andre ladningsbærere, når det forplanter sig gennem materialet. Dette svarer til, hvordan trykgradienten af ​​en lydbølge driver gas- eller væskepartiklerne i et stadigt ekspanderende område. Imidlertid, plasmabølger dør hurtigt ned i konventionelle ledere.

Det sagt, todimensionelle ledere gør det muligt for plasmabølger at forplante sig over relativt store afstande uden dæmpning. Det bliver derfor muligt at observere deres interferens, giver megen information om det pågældende materiales elektroniske egenskaber. Plasmonikken i 2-D-materialer er opstået som et meget dynamisk felt af kondenseret stofs fysik.

I løbet af de sidste 10 år, forskere er kommet langt med at detektere THz-stråling med grafen-baserede enheder. Forskere har udforsket mekanismerne for T-bølgeinteraktion med grafen og skabt prototypedetektorer, hvis egenskaber er på niveau med lignende enheder baseret på andre materialer.

Imidlertid, undersøgelser har hidtil ikke set på detaljerne i detektorinteraktion med tydeligt polariserede T-stråler. Det sagt, enheder, der er følsomme over for bølgernes polarisering, ville være nyttige i mange applikationer. Undersøgelsen rapporteret i denne historie demonstrerede eksperimentelt, hvordan detektorrespons afhænger af polariseringen af ​​indfaldende stråling. Dens forfattere forklarede også, hvorfor dette er tilfældet.

Studiets medforfatter Yakov Matyushkin fra MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials kommenterede:"Detektoren består af en siliciumwafer 4 gange 4 millimeter på tværs, og et lille stykke grafen på 2 gange 5 tusindedele af en millimeter i størrelse. Grafenen er forbundet til to flade kontaktpuder lavet af guld, hvis butterfly-form gør detektoren følsom over for polarisering og fase af indfaldende stråling. Udover det, grafenlaget møder også en anden guldkontakt øverst, med et ikke-ledende lag af aluminiumoxid mellem dem."

Inden for mikroelektronik, denne struktur er kendt som en felttransistor, med de to sidekontakter, der normalt omtales som en kilde og et dræn. Topkontakten kaldes en port.

Terahertz-stråling er et smalt bånd af det elektromagnetiske spektrum mellem mikrobølger og det fjerne infrarøde lys. Fra et applikationssynspunkt, et vigtigt træk ved T-bølger er, at de passerer gennem levende væv og undergår delvis absorption, men forårsager ingen ionisering og derfor ikke skader kroppen. Dette adskiller THz-stråling fra røntgenstråler, for eksempel.

Derfor, de anvendelser, der traditionelt overvejes til T-stråler, er medicinsk diagnostik og sikkerhedsscreening. THz-detektorer bruges også i astronomi. En anden ny applikation er datatransmission ved THz-frekvenser. Det betyder, at den nye detektor kan være nyttig til at etablere 5G og 6G næste generations kommunikationsstandarder.

"Terahertz-stråling er rettet mod en eksperimentel prøve, vinkelret på dens overflade. Dette genererer fotospænding i prøven, som kan opfanges af eksterne måleapparater via detektorens guldkontakter, " kommenterede undersøgelsens medforfatter Georgy Fedorov, souschef for MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials. "Det, der er afgørende her, er, hvad arten af ​​det detekterede signal er. Det kan faktisk være anderledes, og det varierer afhængigt af en række eksterne og interne parametre:prøvegeometri, frekvens, stråling polarisering og effekt, temperatur, etc."

Især den nye detektor er afhængig af den slags grafen, der allerede er fremstillet industrielt. Grafen findes i to typer:Materialet kan enten eksfolieres mekanisk eller syntetiseres ved kemisk dampaflejring. Førstnævnte type har en højere kvalitet, færre fejl og urenheder, og har rekorden for mobilitet fra ladeoperatører, hvilket er en afgørende egenskab for halvledere. Imidlertid, det er CVD-grafen, som industrien kan skalerbart fremstille allerede i dag, hvilket gør det til det foretrukne materiale til enheder med en ambition om masseproduktion.

En anden medforfatter til undersøgelsen, Maxim Rybin fra MIPT og Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences er administrerende direktør for grafenproducenten Rusgraphene, og han havde dette at sige om teknologien:"Det faktum, at det var CVD-grafen, vi observerede plasmabølgeinterferens i, betyder, at sådanne grafen-baserede THz-detektorer er egnede til industriel produktion. Så vidt vi ved, dette er den første observation af plasmabølgeinterferens i CVD-grafen indtil videre, så vores forskning har udvidet materialets potentielle industrielle anvendelser."

Holdet viste, at arten af ​​den nye detektors fotorespons har at gøre med plasmabølgeinterferens i transistorkanalen. Bølgeudbredelsen begynder ved de to modsatte ender af kanalen, og antennens specielle geometri gør enheden følsom over for polariseringen og fasen af ​​den detekterede stråling. Disse funktioner betyder, at detektoren kan vise sig nyttig til at bygge kommunikations- og informationstransmissionssystemer, der fungerer ved THz- og sub-THz-frekvenser.

Undersøgelsen rapporteret i denne historie var medforfattet af forskere fra MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials og deres kolleger fra Moscow State Pedagogical University, Ioffe Institut for Det Russiske Videnskabsakademi, og Universitetet i Regensburg, Tyskland. Denne forskning blev støttet af den russiske fond for grundforskning og det russiske ministerium for videnskab og videregående uddannelse.