Синергия эффектов терагерцевого излучения в графене

Под действием электромагнитного излучения в ряде материалов возникает ток электронов. Например, полупроводники в солнечных батареях при попадании фотонов определенной энергии генерируют электричество. Графен заметно отличается от них тем, что в нем движение электронов порождают электромагнитные волны с любой энергией. При этом достаточно сложно понять, в какую сторону будут двигаться электроны под действием падающего на двумерный углерод излучения, так как толщина графена составляет всего один атом и он слишком чувствителен к поведению электронов в подложке, на которой обычно располагается.

Если точно выяснить, как, например, двигаются электроны в графене под действием терагерцевого излучения, то в перспективе можно будет создать очень эффективные детекторы. Дело в том, что данное излучение проходит через многие материалы (оно проникающее), но при этом не является ионизирующим, то есть безопасно для здоровья. Такая способность «видеть насквозь» без вреда для изучаемого объекта ценна и в медицине (спектральные линии характерных белков-маркеров болезней хорошо видны в терагерцевом диапазоне), и в системах безопасности (спрятанное под одеждой оружие). Наконец, повышение частоты Wi-Fi-устройств с единиц до сотен гигагерц (суб-терагерцовый диапазон) позволит в сотню раз увеличить скорость передачи данных в беспроводных сетях. Необходимо только создать высокочувствительный графеновый детектор.

Прототип такого устройства и был создан исследователями из МФТИ, МПГУ и Университета Манчестера (Великобритания). Технически это пластинка графена, зажатая между двумя слоями нитрида бора и подключенная к терагерцевой антенне — миллиметровой металлической спирали. Излучение, приходящее на антенну, заставляет двигаться электроны на одной стороне листа графена, а на другой его стороне электродом считывается возникающий постоянный ток. «Упаковка» графена в нитрид бора позволяет достичь рекордной чувствительности, на порядок выше, чем у более ранних подобных конструкций.

Раньше возникновение тока в детекторе на базе графена пытались теоретически объяснить за счет одного из трех разных эффектов. Первый — фото-термоэлектрический эффект, работающий из-за разности температур контакта, присоединенного к антенне, и считывающего контакта. Электроны при этом приходят в движение от горячего контакта к холодному. Второй эффект — появление выпрямленного тока на подходящих к графену контактах. Они пропускают высокочастотный сигнал только при определенной его полярности. Третий эффект — плазмонное выпрямление. Контакт, присоединенный к антенне, запускает в листе графена «волны» в «электронном море», а считывающий контакт регистрирует своего рода «усредненную» высоту этих «волн».

Как отмечают авторы новой работы, предшествующие исследования учитывали только один из этих эффектов, а в действительности работали там сразу три. Новые эксперименты и расчеты показали, что при низких температурах доминируют термоэлектрические эффекты, а при высоких температурах и в приборах с большой длиной канала — плазмонное выпрямление. Все это позволило ученым понять, как сделать такой детектор, где разные механизмы будут усиливать друг друга, а не мешать, как это бывало ранее.

ТАСС по материалам Applied Physics Letters.