20 октября 2020, вторник, 11:53
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

18 апреля 2018, 13:33

Фотоотклик в графене

Фотоотклик в графене
Фотоотклик в графене
Дизайнер: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ

Физики из МФТИ вместе с британскими и российскими коллегами выяснили, какие физические механизмы отвечают за возникновение фототока в графене под действием терагерцевого излучения. Работа, опубликованная в Applied Physics Letters, с одной стороны завершает давний спор о причинах возникновения постоянного тока в графене при воздействии на него высокочастотным излучением, с другой - создает основу для разработки высокочувствительных терагерцевых детекторов. Такие детекторы востребованы в медицинской диагностике, беспроводной связи и системах безопасности.

В 2005 году выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов экспериментально изучили поведение электронов в плоских «сотах» из атома углерода. Они выяснили, что электроны в графене реагируют на электромагнитное излучение с любой энергией кванта, тогда как в «обычных» полупроводниках существует минимальная энергия, ниже которой материал на свет не реагирует. Однако вопрос о том, в какую сторону будет двигаться электрон под воздействием излучения в графене, долгое время был дискуссионным - слишком много факторов «тянет» его в разные стороны. Особенно остро стоял этот вопрос для фототока, вызванного терагерцовым излучением.

Терагерцевое излучение интересно уникальным сочетанием свойств. Оно достаточно хорошо проходит через многие диэлектрики и при этом не является ионизирующим: это ценно для диагностических систем или систем безопасности. Терагерцевая камера сможет видеть спрятанное под одеждой оружие, а медицинский сканер сможет на ранних стадиях выявить заболевания кожи по спектральным линиям («отпечаткам пальцев») характерных белков в терагерцевом диапазоне.Наконец, повышение несущей частоты Wi-Fi устройств с единиц до сотен гигагерц (суб-терагерцевый диапазон) позволит пропорционально увеличить скорость передачи данных. Но для всех этих приложений нужно разработать чувствительный, недорогой, и с низким уровнем помех детектор.

Терагерцевый детектор, созданный исследователями из МФТИ, МПГУ и университета Манчестера (где, собственно, и открыли графен), представляет собой лист графена, зажатый между диэлектрическими слоями нитрида бора и электрически подключенный к терагерцевой антенне - металлической спирали размером чуть менее миллиметра. Излучение, приходящее на антенну, раскачивает электроны на одной стороне листа графена, а на другой стороне считывается возникающий постоянный ток. Именно «упаковка»  графена в нитрид бора позволяет достичь рекордных электрических характеристик; благодаря этому чувствительность созданного детектора на порядок превышает чувствительность предыдущих конструкций. Однако основным результатом работы является не улучшение приборных характеристик, а понимание физических явлений, ответственных за возникновение фототока.

Рисунок 1: Электрическая схема терагерцевого детектора на основе графена: терагерцевое излучение подается на антенну, присоединенную к левому (исток) и верхнему (затвор) контактам транзистора. Между левым и правым контактами возникает постоянный фототок (или постоянное напряжение, в зависимости от схемы измерения), сила которого является мерой интенсивности излучения. Дизайнер: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ

Рисунок 2: Рабочая область терагерцевого детектора: зеленая полоска - графен, золотые контакты ведут к антенне и к считывающему амперметру. Длина белой полоски - 6 микрон. Дизайнер: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ

Существует три основных эффекта, ответственных за возникновение тока при воздействии на графен терагерцевого излучения. Первый – фото-термоэлектрический эффект – происходит из-за разности температур контакта, присоединенного к антенне, и считывающего контакта. Электроны при этом приходят в движение от горячего контакта к холодному, подобно воздуху, поднимающемуся вверх  от теплой батареи. Второй эффект состоит появлении выпрямленного тока на контактах - оказывается, что контакты к графену пропускают высокочастотный сигнал только при определенной полярности. Третий, наиболее интересный эффект, называется плазмонным выпрямлением. Можно считать, что контакт, присоединенный к антенне, запускает в графеновой полосе «волны в электронном море», а считывающий контакт регистрирует средний ток, связанный с этим волнением.

«Раньше фототок в подобных детекторах пытались объяснить лишь одним из этих механизмов, а другие полностью игнорировались, - рассказывает Дмитрий Свинцов, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, - В действительности, работают все три, и в нашей работе мы выяснили, какой эффект при каких параметрах доминирует. При низких температурах доминируют термоэлектрические эффекты, а при высоких температурах и в приборах с большой длиной канала - плазмонное выпрямление. Главное - мы поняли, как сделать детектор, где разные механизмы фотоотклика будут друг друга усиливать, а не мешать друг другу».

Информация, полученная в описанных экспериментах, позволяет подобрать верные технологические решения для создания терагерцевых детекторов, и приближает нас к высокоскоростным Wi-Fi устройствам, безопасной медицинской диагностике и дистанционному обнаружению опасных веществ.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ МФТИ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность антропогенез археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биоинформатика биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты клад климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеоклиматология палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экзопланеты экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Алексей Ананьев Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад Солнечная система альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология культурные растения междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество Европейская южная обсерватория жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2020.