Grafeendetector onthult de polarisatie van THz-licht

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

De nieuwe detector vertrouwt op de interferentie van plasmagolven. Interferentie als zodanig ligt ten grondslag aan veel technologische toepassingen en alledaagse verschijnselen. 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, fysische en andere eigenschappen van objecten te bepalen – inclusief zeer afgelegen objecten, 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, zijn de golven die in plasma’s voorkomen ook in wezen dichtheidsgolven, maar daarbij zijn ladingsdragers betrokken: elektronen en gaten. Hun lokale variatie in dichtheid geeft aanleiding tot een elektrisch veld, dat andere ladingsdragers stuwt 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. Plasmagolven sterven echter snel af in conventionele geleiders.

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

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

Studies hebben tot dusverre echter niet gekeken naar de details van de detectorinteractie met duidelijk gepolariseerde T-stralen. Dat gezegd hebbende, kunnen apparaten die gevoelig zijn voor de polarisatie van de golven in veel toepassingen worden gebruikt. De studie die in dit verhaal wordt gerapporteerd, heeft experimenteel aangetoond 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 сommented: “De detector bestaat uit een siliciumwafel van 4 bij 4 millimeter breed, en een klein stukje grafeen van 2 bij 5 duizendsten van een millimeter. Het grafeen is verbonden met twee platte contactkussentjes van goud, waarvan de vlinderdasvorm de detector gevoelig maakt voor de polarisatie en de fase van invallende straling. . “

In de micro-elektronica staat deze structuur bekend als een veldtransistor, waarbij de twee zijcontacten meestal 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 ver-infraroodlicht. Vanuit het oogpunt van toepassingen is een belangrijk kenmerk van T-golven dat ze door levend weefsel gaan en gedeeltelijke absorptie ondergaan, maar geen ionisatie veroorzaken en daarom het lichaam niet beschadigen. Hierdoor onderscheidt THz-straling zich van bijvoorbeeld röntgenstraling.

Dienovereenkomstig zijn de toepassingen die traditioneel worden overwogen voor T-stralen medische diagnostiek en veiligheidsscreening. 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 wordt op een experimenteel monster gericht, orthogonaal op het oppervlak. Dit genereert fotospanning in het monster, die kan worden opgevangen door externe meetapparatuur via de gouden contacten van de detector”, aldus co-auteur Georgy Fedorov, plaatsvervangend hoofd van het onderzoek. MIPT Laboratorium voor nanokoolstofmaterialen. “Wat hier cruciaal is, is wat de aard van het gedetecteerde signaal is. Het kan echt verschillen, en het varieert afhankelijk van een groot aantal externe en interne parameters: monstergeometrie, frequentie, stralingspolarisatie en vermogen, temperatuur, enz.”

Met name is de nieuwe detector gebaseerd op het soort grafeen dat al industrieel is 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 is recordhouder voor de mobiliteit van ladingsdragers, een cruciale eigenschap voor halfgeleiders. Het is echter CVD-grafeen dat de industrie nu al schaalbaar kan produceren, waardoor het het materiaal bij uitstek is voor apparaten met de 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 zei dit over de technologie: “Het feit dat het CVD-grafeen was dat waar we plasmagolfinterferentie hebben waargenomen, betekent dat dergelijke op grafeen gebaseerde THz-detectoren geschikt zijn voor industriële productie. Voor zover we weten is dit de eerste waarneming van plasmagolfinterferentie in CVD-grafeen tot nu toe, dus ons onderzoek heeft het potentieel van het materiaal toepassingen. “

Het team toonde aan dat de aard van de fotorespons van de nieuwe detector te maken heeft met interferentie van plasmagolven in het transistorkanaal. De golfvoortplanting begint aan de twee tegenoverliggende 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, was co-auteur van onderzoekers van het MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials en hun collega’s van de Moscow State Pedagogical University, Ioffe Institute of the Russian Academy of Sciences en de University of Regensburg, Duitsland. Dit onderzoek werd ondersteund door de Russische Stichting voor Basisonderzoek en het Russische Ministerie van Wetenschap en Hoger Onderwijs.