Natuurkundigen hebben een breedbanddetector gemaakt van terahertzstraling op basis van grafeen. Het apparaat heeft potentieel voor toepassingen in communicatie- en informatietransmissiesystemen van de volgende generatie, beveiliging en medische apparatuur. De studie kwam uit in ACS Nano-letters .

De nieuwe detector vertrouwt op de interferentie van plasmagolven. Interferentie als zodanig ligt ten grondslag aan veel technologische toepassingen en alledaagse fenomenen. Het bepaalt het geluid van muziekinstrumenten en veroorzaakt de regenboogkleuren in zeepbellen, samen met vele andere effecten. De interferentie van elektromagnetische golven wordt benut door verschillende spectrale apparaten die worden gebruikt om de chemische samenstelling te bepalen, fysieke en andere eigenschappen van objecten, inclusief zeer afgelegen, zoals sterren en sterrenstelsels.

Plasmagolven in metalen en halfgeleiders hebben de laatste tijd veel aandacht getrokken van onderzoekers en ingenieurs. Net als de meer bekende akoestische golven, die in plasma's voorkomen zijn in wezen dichtheidsgolven, te, maar het gaat om ladingsdragers:elektronen en gaten. Hun lokale dichtheidsvariatie geeft aanleiding tot een elektrisch veld, die andere ladingsdragers duwt terwijl het zich door het materiaal voortplant. Dit is vergelijkbaar met hoe de drukgradiënt van een geluidsgolf de gas- of vloeistofdeeltjes in een steeds groter wordend gebied voortstuwt. Echter, plasmagolven sterven snel af in conventionele geleiders.

Dat gezegd hebbende, tweedimensionale geleiders zorgen ervoor dat plasmagolven zich over relatief grote afstanden kunnen voortplanten zonder verzwakking. Het wordt daarom mogelijk om hun interferentie waar te nemen, veel informatie opleveren over de elektronische eigenschappen van het materiaal in kwestie. De plasmonica van 2D-materialen is naar voren gekomen als een zeer dynamisch veld van de fysica van de gecondenseerde materie.

In de afgelopen 10 jaar, wetenschappers hebben een lange weg afgelegd om THz-straling te detecteren met op grafeen gebaseerde apparaten. Onderzoekers hebben de mechanismen van T-golfinteractie met grafeen onderzocht en prototypedetectoren gemaakt, waarvan de kenmerken vergelijkbaar zijn met die van vergelijkbare apparaten op basis van andere materialen.

Echter, studies hebben tot nu toe niet gekeken naar de details van detectorinteractie met duidelijk gepolariseerde T-stralen. Dat gezegd hebbende, apparaten die gevoelig zijn voor de polarisatie van de golven zouden in veel toepassingen van pas kunnen komen. De studie die in dit verhaal wordt beschreven, toonde experimenteel aan hoe de detectorrespons afhangt van de polarisatie van invallende straling. De auteurs legden ook uit waarom dit het geval is.

Studie co-auteur Yakov Matyushkin van het MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials merkte op:"De detector bestaat uit een siliciumwafel van 4 bij 4 millimeter breed, en een klein stukje grafeen van 2 bij 5 duizendste van een millimeter groot. Het grafeen is verbonden met twee platte contactvlakken van goud, waarvan de vlinderdasvorm de detector gevoelig maakt voor de polarisatie en fase van invallende straling. Daarnaast, de grafeenlaag ontmoet ook een ander goudcontact aan de bovenkant, met daartussen een niet-geleidende laag aluminiumoxide."

Bij micro-elektronica, deze structuur staat bekend als een veldtransistor, met de twee zijcontacten die gewoonlijk een bron en een afvoer worden genoemd. Het bovenste contact wordt een poort genoemd.

Terahertz-straling is een smalle band van het elektromagnetische spectrum tussen microgolven en het verre infrarood licht. Vanuit het oogpunt van toepassingen, een belangrijk kenmerk van T-golven is dat ze door levend weefsel gaan en gedeeltelijk worden geabsorbeerd, maar geen ionisatie veroorzaken en daarom het lichaam niet schaden. Dit onderscheidt THz-straling van röntgenstraling, bijvoorbeeld.

Overeenkomstig, de toepassingen die traditioneel worden overwogen voor T-stralen zijn medische diagnostiek en veiligheidsonderzoek. THz-detectoren worden ook gebruikt in de astronomie. Een andere opkomende toepassing is datatransmissie op THz-frequenties. Dit betekent dat de nieuwe detector nuttig kan zijn bij het vaststellen van de 5G- en 6G-communicatiestandaarden van de volgende generatie.

"Terahertz-straling is gericht op een experimenteel monster, loodrecht op het oppervlak. Dit genereert fotospanning in het monster, die kunnen worden opgepikt door externe meetapparatuur via de gouden contacten van de detector, " becommentarieerde studie co-auteur Georgy Fedorov, plaatsvervangend hoofd van het MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials. "Wat hier cruciaal is, is wat de aard van het gedetecteerde signaal is. Het kan eigenlijk anders zijn, en het varieert afhankelijk van een groot aantal externe en interne parameters:monstergeometrie, frequentie, stralingspolarisatie en macht, temperatuur, enzovoort."

Opmerkelijk, de nieuwe detector vertrouwt op het soort grafeen dat al industrieel wordt geproduceerd. Grafeen is er in twee soorten:het materiaal kan mechanisch worden geëxfolieerd of gesynthetiseerd door chemische dampafzetting. Het eerste type heeft een hogere kwaliteit, minder defecten en onzuiverheden, en heeft het record voor mobiliteit van ladingdragers, wat een cruciale eigenschap is voor halfgeleiders. Echter, het is CVD-grafeen dat de industrie vandaag al schaalbaar kan produceren, waardoor het het materiaal bij uitstek is voor apparaten met een ambitie voor massaproductie.

Een andere co-auteur van de studie, Maxim Rybin van MIPT en Prokhorov General Physics Institute van de Russische Academie van Wetenschappen is de CEO van grafeenfabrikant Rusgraphene, en hij had dit te zeggen over de technologie:"Het feit dat het CVD-grafeen was waar we plasmagolfinterferentie in zagen, betekent dat dergelijke op grafeen gebaseerde THz-detectoren geschikt zijn voor industriële productie. Zo ver we weten, dit is de eerste waarneming tot nu toe van plasmagolfinterferentie in CVD-grafeen, dus ons onderzoek heeft de potentiële industriële toepassingen van het materiaal uitgebreid."

Het team toonde aan dat de aard van de fotorespons van de nieuwe detector te maken heeft met plasmagolfinterferentie in het transistorkanaal. Golfvoortplanting begint aan de twee tegenovergestelde uiteinden van het kanaal, en de speciale geometrie van de antenne maakt het apparaat gevoelig voor de polarisatie en fase van de gedetecteerde straling. Deze kenmerken betekenen dat de detector nuttig kan zijn bij het bouwen van communicatie- en informatietransmissiesystemen die werken op THz- en sub-THz-frequenties.

De studie die in dit verhaal wordt gerapporteerd, is mede-auteur van onderzoekers van het MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials en hun collega's van de Pedagogische Staatsuniversiteit van Moskou, Ioffe Instituut van de Russische Academie van Wetenschappen, en de Universiteit van Regensburg, Duitsland. Dit onderzoek werd ondersteund door de Russische Stichting voor Basisonderzoek en het Russische Ministerie van Wetenschap en Hoger Onderwijs.