Российские учёные из Московского физико-технического института (МФТИ) и Физико-технологического института имени К. А. Валиева Российской академии наук (ФТИАН имени К. А. Валиева РАН) обнаружили резонансное поглощение терагерцевого излучения в коммерчески доступном графене. Это является важнейшим шагом на пути к созданию эффективного детектора терагерцевого излучения.
Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review Applied.
Графеновая оптоэлектроника
С момента присуждения в 2010 году Андрею Гейму и Константину Новосёлову Нобелевской премии по физике за получение графена и изучение его свойств интерес исследователей к этому материалу не утихает. Графен является истинно двумерным материалом, то есть состоит из одного атомарного слоя углерода, отчасти благодаря чему обладает уникальными свойствами: он тонкий, но прочный, непроницаем даже для атомов гелия, имеет высокую электро- и теплопроводность. Благодаря высокой подвижности электронов графен является перспективным материалом для сверхбыстрых фотодетекторов, в том числе и для детекторов терагерцевых волн.
Терагерцевое излучение является очень непростым как для генерации, так и для детектирования. Вследствие этого даже появился термин «терагерцевая щель», означающий провал в мощности источников и регистрирующей способности детекторов в диапазоне от долей до единиц терагерц. Но на эту щель никто бы и не обратил внимания, если бы не огромный потенциал терагерцевых волн в медицине, системах беспроводного интернета и астрофизике. Это излучение является безопасным для человека и может заменить рентгеновское при диагностике заболеваний внутренних органов. Скорость передачи данных в WiFi-системах может значительно увеличиться с использованием терагерцевых волн. Кроме того, часть слабо исследованного космического излучения лежит в данном диапазоне.
Использование графена в качестве детектирующего материала способно помочь в создании быстрого терагерцевого детектора. Однако сам по себе монослой графена поглощает лишь около двух процентов падающего излучения, что недостаточно для эффективного детектирования. Одним из способов решения проблемы является сильная локализация поля вблизи графена, благодаря которой 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.
К сожалению, плазмонный резонанс не наблюдается в плоском слое графена, освещённом плоской электромагнитной волной: малая по сравнению с фотоном длина волны плазмона не даёт свету возбудить плазмонные колебания. Преодолеть такое рассогласование позволяет специальная металлическая «расчёска» вблизи графена с расстоянием между зубчиками менее микрона.
Графен: ожидание vs. реальность
К настоящему времени известны десятки способов получения графена (см., например, сообщение о «взрывном» методе получения этого материала), которые отличаются по трудозатратам и качеству получаемых образцов. Говоря о высокой электронной подвижности в графене, исследователи зачастую умалчивают о трудоёмкой процедуре его получения.
Лучший графен до сих пор получают методом механического отщепления. При этом графит зажимается между двумя липкими лентами, которые затем отрываются 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 монослоем графита — графеном. С таким графеном «ручной работы» получаются приборы, имеющие наилучшие характеристики. Так, ранее исследователи из МФТИ, МПГУ и Манчестерского университета (The University of Manchester) сообщали о создании резонансного терагерцевого детектора на основе инкапсулированного графена.
В методе механического отщепления площадь графена не превосходит микрометров, образцы изготавливаются по несколько месяцев, а налаживание такого процесса обходится очень дорого. Существует, однако, более простой, масштабируемый и технологичный метод — химическое осаждение из газовой фазы (CVD — chemical vapour deposition). При этом в результате разложения газов (чаще всего смеси метана, водорода и аргона) на подложке из меди или никеля в специальной печке при высокой температуре формируется графеновая плёнка. Только на основе такого графена можно масштабируемым образом создавать партии приборов, однако он имеет больше дефектов по сравнению с графеном, полученным отщеплением, вследствие чего обладает не такими хорошими характеристиками.
Авторы данной работы решили пронаблюдать явление терагерцевого плазмонного резонанса именно в CVD-графене.
«На самом деле плёнка CVD-графена не однородная, а состоит из сросшихся зёрен — участков симметрично повторяющегося во все стороны кристаллического рисунка — подобно поликристаллу. Границы зёрен наряду с дефектами являются самыми слабыми местами графена, осложняющими работу с ним», — рассказала Елена Титова, соавтор работы, студентка МФТИ.
Больше года ушло у коллектива лаборатории на освоение ремесла работы с непослушным материалом в Центре коллективного пользования МФТИ. Параллельно с этим теоретический отдел лаборатории уверял, что никакого плазмонного резонанса пронаблюдать не получится. Дело в том, что эффективность резонанса определяется его добротностью — тем, сколько периодов поля проходит до того, как электрон столкнётся с дефектом решётки. А добротность, по оценкам, оказывалась очень малой, так как электроны в CVD-графене постоянно сталкиваются с многочисленными дефектами.
Это не мешает им, однако, иметь высокую подвижность: всё дело в том, что электроны в графене обладают малой массой и за время между столкновениями успевают набрать большую скорость.
Теория и эксперимент
Вопреки пессимистичным теоретическим прогнозам о возможности наблюдения плазмонного резонанса в изготовленных образцах, авторы работы решились осуществить планируемый эксперимент. Смелость была вознаграждена, и в спектрах поглощения образца были выявлены пики, свидетельствовавшие о возбуждении плазмонного резонанса в графене.
«Дело в том, что дефект дефекту рознь, и электроны сталкиваются с разными дефектами при измерениях на постоянном токе и при измерениях терагерцевого поглощения. В эксперименте на постоянном токе электрон неизбежно столкнётся с границами зёрен на пути от одного контакта к другому. При облучении терагерцевыми волнами электрон в основном колеблется внутри одного зерна, почти не подходя к его границам. Поэтому дефекты, уменьшающие статическую проводимость, оказываются «безопасными» для терагерцевых детекторов», — пояснил Дмитрий Свинцов, один из авторов работы, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.
Дальнейшей загадкой являлась частота резонансного возбуждения плазмонов, которая не соответствовала существующим теориям и имела принципиально другую зависимость от геометрических размеров решётки. Оказалось, что при близком расположении графена и решётки последняя модифицирует распределение поля плазмона и локализует его под металлическими штрихами, края которых играют роль зеркал для плазмонов.
Авторы работы сформулировали простейшую теорию явления, используя аналогии с приближением сильно связанных электронов в твёрдом теле. Эта теория описывает экспериментальные данные без подгоночных коэффициентов и в дальнейшем может быть использована для оптимизации терагерцевых детекторов.
