Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Детектор из «дефектного» графена

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Терагерцевым называется электромагнитное излучение в диапазоне частот от долей до единиц терагерц (1 терагерц = 1012 герц). Этот диапазон на шкале электромагнитных волн предшествует инфракрасному излучению. Интерес к нему связан с возможным применением этих волн в медицине и системах беспроводного интернета. Терагерцевое излучение безопасно для человека и в некоторых случаях может заменить рентгеновское при диагностике заболеваний. Кроме того, в терагерцевых приёмниках заинтересованы астрофизики: в данном диапазоне лежит часть слабо исследованного космического излучения.

Однако терагерцевый диапазон волн очень непрост как для генерации, так и для приёма (детектирования). Появился даже термин «терагерцевая щель», означающий провал в мощности создаваемых источников излучения и регистрирующей способности детекторов.

Перспективным материалом для детекторов терагерцевых волн считается графен. Этот истинно двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, очень прочный, он непроницаем даже для атомов гелия и, самое главное, имеет высокую электро- и теплопроводность. Но получить качественный, без дефектов, графен в промышленных масштабах трудно. Говоря о больших перспективах графена в различных разделах электроники, исследователи, как правило, умалчивают о трудоёмкости процедуры его производства.

Известны десятки способов изготовления графена, которые отличаются по трудозатратам и качеству образцов. Лучший графен до сих пор получают методом механического отщепления, использованным ещё Андреем Геймом и Константином Новосёловым, которые стали лауреатами Нобелевской премии по физике 2010 года за получение графена и изучение его свойств. Графит зажимают между двумя липкими лентами, которые затем отрывают друг от друга, отделяя от графита более тонкий слой. Такую процедуру с оставшимся на ленте слоем повторяют несколько раз, пока не начнут появляться места с одноатомным слоем — графеном. Используя графен «ручной работы», создают приборы, имеющие наилучшие характеристики.

Однако при таком методе площадь получаемого графена не превосходит микрометров, а образцы изготавливаются по несколько месяцев. Существует более простой и технологичный метод — химическое осаждение из газовой фазы (CVD — chemical vapour deposition). В результате разложения газа, содержащего углерод, в специальной печке при высокой температуре на подложке из меди или никеля формируется графеновая плёнка. Этот метод может быть положен в основу промышленного производства графена, но, к сожалению, плёнка CVD-графена не однородная, а состоит, подобно поликристаллу, из сросшихся зёрен — небольших кристаллических участков. Из-за их границ, которые, по сути, — дефекты кристалла, она обладает не такими хорошими характеристиками, как графен, полученный отщеплением.

К тому же сам по себе графен поглощает лишь около двух процентов падающего излучения, что недостаточно для эффективного детектирования. Один из способов решения проблемы — сильное сосредоточение поля вблизи графена, благодаря чему электромагнитная волна может «сцепиться» с электронами проводимости и резонансно раскачать их колебания. Такая комбинированная волна, состоящая из совместно колеблющихся электронов и электромагнитного поля, называется поверхностным плазмоном, а явление усиленного поглощения света благодаря возбуждению этих волн — плазмонным резонансом. Для его возбуждения перед графеном располагают специальную металлическую гребёнку с расстоянием между зубчиками менее микрона.

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) и Физико-технологического института им. К. А. Валиева РАН (ФТИАН) решили пронаблюдать явление терагерцевого плазмонного резонанса именно в коммерчески доступном CVD-графене, хотя теоретики уверяли, что это невозможно из-за того, что электроны в нём постоянно сталкиваются с многочисленными дефектами. Смелость экспериментаторов была вознаграждена: они всё же обнаружили искомое явление. Это важнейший шаг на пути к созданию эффективных детекторов терагерцевого излучения.

Результат эксперимента объяснили тем, что при облучении терагерцевыми волнами электроны в основном колеблются внутри одного зерна, почти не подходя к его границам. Поэтому дефекты плёнки не мешают возникновению плазмонного резонанса.

Другой загадкой эксперимента стало то, что наблюдаемая частота резонансного возбуждения плазмонов не соответствовала существующим теориям и имела принципиально другую зависимость от размеров гребёнки. Исследователи разработали свою простейшую теорию явления. Оказалось, что при близком расположении графена и гребёнки последняя сосредотачивает поле под металлическими штрихами, края которых играют роль зеркал для плазмонов.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Вести из институтов»