Russische onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) en het Valiev Institute of Physics and Technology hebben resonante absorptie van terahertz-straling in commercieel verkrijgbaar grafeen aangetoond. Dit is een belangrijke stap in de richting van het ontwerpen van efficiënte terahertz-detectoren om sneller internet mogelijk te maken en een veilige vervanging voor röntgenlichaamsscans. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast .

Grafeen opto-elektronica

Sinds Andre Geim en Kostya Novoselov in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde ontvingen voor het bestuderen van de unieke elektronische eigenschappen van grafeen, de belangstelling voor dit materiaal is nooit afgenomen. Grafeen is echt tweedimensionaal:het bestaat uit een één atoom dikke laag koolstof, dat is een van de redenen waarom de eigenschappen zo geweldig zijn. Het is dun maar mechanisch sterk, ondoordringbaar, zelfs voor heliumatomen, en geleidt elektriciteit en warmte buitengewoon goed. De hoge mobiliteit van elektronen in grafeen maakt het een veelbelovend materiaal voor ultrasnelle fotodetectoren, inclusief die in het terahertz-bereik.

THz-straling, ook bekend als T-golven, is even moeilijk te genereren en te detecteren. Dit gaf aanleiding tot het idee van een "terahertz-kloof, ", wat verwijst naar de frequentieband van ongeveer 0,1-10 THz in het elektromagnetische spectrum. Er zijn geen efficiënte apparaten voor het genereren en detecteren van straling in dit bereik. Niettemin, T-golven zijn erg belangrijk voor de mensheid:ze zijn niet schadelijk voor het lichaam en kunnen daarom röntgenstralen in medische scans vervangen. Ook, T-golven zouden wifi veel sneller kunnen maken en een slecht bestudeerde band van kosmische straling kunnen ontsluiten voor astronomisch onderzoek.

Ondanks het grote potentieel van grafeen voor fotodetectie, de monolaag zelf absorbeert slechts ongeveer 2,3% van de externe straling, wat niet voldoende is voor een betrouwbare detectie. Een manier om dit te omzeilen is om het veld sterk te lokaliseren in de buurt van grafeen, waardoor een elektromagnetische golf wordt gedwongen te koppelen met grafeenelektronen en resonante oscillaties op te wekken. De resulterende collectieve golf van het elektromagnetische veld en de geleidingselektronen staat bekend als een oppervlakteplasmon. Het overeenkomstige fenomeen van plasmonresonantie is de verbeterde lichtabsorptie als gevolg van de excitatie van oppervlakteplasmongolven.

Helaas, dit fenomeen wordt niet waargenomen in een ononderbroken plaat van een geleider verlicht met vlakke golven. De plasmongolflengte is te kort vergeleken met die van het foton, daarom kunnen deze twee golven nauwelijks synchroon lopen. Om deze ongelijkheid aan te pakken, boven de grafeenfilm wordt een metalen rooster geplaatst. Het lijkt op een kleine kam met tanden op minder dan een micrometer van elkaar.

Grafeen:verwachtingen versus realiteit

Er zijn tientallen technieken beschikbaar om grafeen te produceren. Ze verschillen in de kwaliteit van het eindproduct en de arbeidsintensiteit. Onderzoekers die de hoge elektronenmobiliteit in grafeen prijzen, hebben vaak gebagatelliseerd hoe moeilijk dit materiaal te vervaardigen is.

De hoogste kwaliteit grafeen wordt geproduceerd door mechanische exfoliatie. Hierbij wordt een stuk grafiet tussen twee plakbanden geplaatst, die vervolgens in meerdere iteraties steeds dunnere lagen afscheuren. Op een gegeven moment, fragmenten van grafeen - dat wil zeggen, monolaag grafiet - ontstaan. Dergelijk "handgemaakt" grafeen heeft de beste eigenschappen voor toegepaste apparaten, zoals de resonante T-golfdetector op basis van ingekapseld grafeen gemaakt door onderzoekers van MIPT, Pedagogische Staatsuniversiteit van Moskou, en de Universiteit van Manchester. Helaas, grafeenvlokken vervaardigd door mechanische afschilfering zijn slechts micrometer breed, duurt enkele maanden om te produceren, en uiteindelijk te duur worden voor het ontwerpen van seriële apparaten.

Er is een eenvoudigere en schaalbare alternatieve techniek voor grafeensynthese die chemische dampafzetting (CVD) wordt genoemd. Het gaat om ontbindende gassen - normaal gesproken een mengsel van methaan, waterstof, en argon - in een speciale oven. Het proces leidt tot de vorming van een grafeenfilm op een koper- of nikkelsubstraat. Het resulterende grafeen heeft slechtere eigenschappen en meer defecten dan het mechanisch geëxfolieerde grafeen. Maar CVD is momenteel de technologie die het meest geschikt is om de productie van apparaten op te schalen.

De Russische natuurkundigen wilden testen of dergelijk grafeen van commerciële kwaliteit goed genoeg is voor THz-plasmonresonantie-excitatie, waardoor het een geldig materiaal zou zijn voor T-golfdetectoren.

"Werkelijk, een door CVD geproduceerde grafeenfilm is niet homogeen. Als een polykristal, het bestaat uit talrijke samengevoegde korrels. Elk is een geordend gebied met een volledig symmetrisch atomair patroon. Graangrenzen, samen met gebreken, maken het werken met dergelijk grafeen verre van eenvoudig, " studie co-auteur en MIPT afgestudeerde student Elena Titova zei.

Het kostte het team meer dan een jaar om het werken met CVD-grafeen onder de knie te krijgen in het Center of Shared Research Facilities van het Instituut. In de tussentijd, de collega's van de theoretische afdeling van het lab waren ervan overtuigd dat er geen plasmonresonantie zou worden waargenomen. De reden is dat de zichtbaarheid van resonantie wordt bepaald door de zogenaamde kwaliteitsfactor, dat wil zeggen, hoeveel perioden het veld passeert voordat het elektron een roosterdefect tegenkomt. Theoretische schattingen voorspelden een zeer lage Q-factor beperkt door frequente botsingen met elektronendefecten in CVD-grafeen. Dat gezegd hebbende, de hoge elektronenmobiliteit in grafeen komt niet voort uit zeldzame elektronenbotsingen, maar door een lage massa aan elektronen, die hun snelle acceleratie tot een hoge snelheid mogelijk maken.

Theorie en experiment

Ondanks de pessimistische theoretische voorspellingen, de auteurs van het artikel besloten het experiment toch te doen. Hun vastberadenheid werd beloond:de absorptiespectra vertoonden de pieken die indicatief waren voor plasmonresonantie in CVD-gesynthetiseerd grafeen.

"Het punt is dat niet alle gebreken hetzelfde zijn, en elektronen botsen met verschillende defecten in gelijkstroommetingen en THz-absorptiemetingen, " zegt de onderzoeksbegeleider, Dmitri Svintsov, die aan het hoofd staat van het MIPT-laboratorium voor 2D-materialen voor opto-elektronica. "In een DC-experiment, een elektron zal onvermijdelijk korrelgrenzen tegenkomen op de weg van het ene elektrisch contact naar het andere. Maar bij blootstelling aan T-golven, het zal meestal fluctueren binnen een enkele korrel, weg van zijn grenzen. Dit betekent dat defecten die de DC-geleidbaarheid aantasten eigenlijk 'veilig' zijn voor T-golfdetectie."

Een ander mysterie had te maken met de frequentie van resonante plasmonexcitatie, die het niet eens waren met de eerder bestaande theorieën. Het bleek op een onverwachte manier gerelateerd te zijn aan de geometrie van het metalen rooster. Het team ontdekte dat wanneer het dicht bij grafeen wordt geplaatst, het rooster (afgebeeld in oranje in figuur 1) wijzigde de plasmonveldverdeling. Dit leidde tot plasmonlokalisatie onder de "kamtanden, waarvan de randen als spiegels voor plasmonen fungeerden. De onderzoekers formuleerden een zeer eenvoudige theorie die het fenomeen beschrijft op basis van een analogie met het strak bindende model uit de vastestoffysica. De theorie reproduceert de experimentele gegevens goed zonder toevlucht te nemen tot passende parameters en kan worden gebruikt om toekomstige T-golfdetectoren te optimaliseren.