. Дубна: 6 oC
Дата 16.04.2024
rss telegram vk ok
принципиальная электрическая схема субтерагерцового детектора на основе двухслойного графена.

Ученые МФТИ создали детектор терагерцового излучения на основе двухслойного графена, обладающий рекордной чувствительностью при криогенных температурах. Представленное устройство уже конкурентоспособно по сравнению с коммерческими болометрами на полупроводниках и сверхпроводниках.

Ключом к успеху явилось использование двухслойного графена с небольшой шириной запрещенной зоны — этот материал оказался «золотой серединой» между однослойным графеном и классическими объемными полупроводниками. Работа опубликована в журнале ACS Nano.

Группа ученых из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ под руководством Дмитрия Свинцова разработала субтерагерцовый фотодетектор с рекордной чувствительностью при криогенных температурах. Работа показала, что открытие запрещенной зоны в двухслойном графене на порядок улучшает способность материала к «превращению» излучения в постоянный электрический ток. Возможно, данное исследование позволит установить универсальные требования к материалам для эффективного детектирования в терагерцовом диапазоне, так как это открытие можно применить не только к двухслойному графену, но и к другим двумерным материалам. Фундаментальные пределы чувствительности подобных материалов еще предстоит выяснить, но уже сейчас можно сделать вывод об эффективности материалов со средней запрещенной зоной (~0.1-0.2 эВ) по сравнению с бесщелевым однослойным графеном, а также классическими полупроводниками с большой запрещенной зоной (порядка 1 эВ).

Терагерцовое излучение — это невидимое для глаз электромагнитное излучение с частотой примерно от 0,1 до 3 ТГц (1ТГц = 1012 Гц), что соответствует длинам волн от 3 мм до 100 мкм. Располагаясь между миллиметровым и микроволновым диапазонами, ТГц-излучение является своеобразной разграничительной чертой между двумя подходами к взаимодействию с излучением: электроникой (радиодиапазон — бо́льшая длина волны, меньшая частота, меньшая энергия) и фотоникой (инфракрасный и видимый диапазон, меньшая длина волны, бо́льшая частота, бо́льшая энергия излучения), которые при приближении к терагерцовому диапазону теряют свою эффективность. Терагерцовый диапазон может быть использован для беспроводных широкополосных высокоскоростных систем связи, для медицинской визуализации, для безопасности, в спектроскопии, в астрофизических исследованиях, в измерительной технике и во многом другом. Ожидается, что следующая технологическая революция будет тесно связана с разработками в области терагерцовых технологий. Неудивительно, что в этой области исследований работает большое количество научных групп.

Графен давно вступил в «гонку за терагерцы» в качестве активного элемента для терагерцового детектирования и показывает хорошие результаты. Двухслойный графен, в отличие от бесщелевого однослойного, обладает уникальным свойством переменной запрещенной зоны в зависимости от величины поперечного электрического поля. При отсутствии внешнего поля двухслойный графен является бесщелевым полуметаллом (как и однослойный при любых полях), однако приложение поперечных электрических полей с двух затворов — сверху и снизу относительно листа графена — позволяет открывать запрещенную зону и менять концентрацию носителей в энергетических зонах, переводя графен в полупроводниковое состояние.  

Группа ученых из МФТИ изначально ставила перед собой целью изучение туннельного терагерцового фотоотклика в двухслойном графене с открытой запрещенной зоной. Для этого коллектив лаборатории спроектировал и изготовил транзисторные устройства на основе двухслойного графена с несколькими затворами.  

Однако, изучая фотоотклик в таких графеновых транзисторах, ученые наткнулись на другой необычный эффект, намного более важный для практических задач по проектированию терагерцовых фотодетекторов, — улучшение всех характеристик фотодетектора в несколько раз с открытием запрещенной зоны в графене.

В литературе показаны примеры открытия запрещенной зоны в двухслойном графене вплоть до 200 мэВ. Авторы работы открыли запрещенную зону на порядок меньше, около 20 мэВ, и получили увеличение фоточувствительности минимум в три раза по сравнению с бесщелевым состоянием графена. Следует ожидать, что при еще бо́льшем открытии запрещенной зоны характеристики фотодетектора улучшатся минимум на порядок, хотя представленные в данной работе характеристики уже бьют сегодняшние рекорды по чувствительности и шумовым характеристикам субтерагерцовых криогенных детекторов: вольтаическая фоточувствительность RV = 50 кВ/Ватт, токовая фоточувствительность RI = 20 А/Ватт, эквивалентная мощность шума NEP = 40 фВ/Гц^(1/2). Следует отметить, что представленные учеными фотодетекторы абсолютно конкурентоспособны по сравнению с коммерческими болометрами на полупроводниках и сверхпроводниках.

Удивительно, но с открытием запрещенной зоны увеличивается не только чувствительность детектора по фотонапряжению. Повышается также и токовая чувствительность, что свидетельствует об улучшении внутренних выпрямляющих свойств материала с открытием запрещенной зоны. Кроме того, с открытием запрещенной зоны также уменьшаются шумы фотодетектора.

«Нам кажется, что мы откопали ключ к эффективному терагерцовому фотодетектированию, так как вывод о влиянии запрещенной зоны на характеристики фотодетектора можно обобщить и на другие материалы. Слишком большая запрещенная зона осложняет способность собирать фотосигнал в электрической цепи, так как неизбежно выливается в большое контактное сопротивление. При слишком маленькой запрещенной зоне или ее отсутствии материал не так эффективно детектирует ввиду недостаточно сильной нелинейности в приборе. Как на горке с маленьким перепадом высот, предмет будет катиться очень медленно, а на слишком крутой — выходить из-под контроля. Получается, что наиболее эффективно искать золотую середину и использовать материалы с умеренной запрещенной зоной», — говорит Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.

Несмотря на все сложности, работа по «укрощению» ТГц-излучения, несомненно, стоит всех приложенных усилий, учитывая огромную востребованность по применению терагерцев. Поэтому неудивительно, что в последние десятилетия тема терагерцев стала особо актуальной в научном сообществе.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-79-20225) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № ФСМГ-2021-0005).

Добавить комментарий

Комментарии не должны оскорблять автора текста и других комментаторов. Содержание комментария должно быть конкретным, написанным в вежливой форме и относящимся исключительно к комментируемому тексту.


Защитный код
Обновить