Ricercatori russi dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) e dell'Istituto di fisica e tecnologia Valiev hanno dimostrato l'assorbimento risonante della radiazione terahertz nel grafene disponibile in commercio. Questo è un passo importante verso la progettazione di rilevatori terahertz efficienti per consentire un Internet più veloce e un sostituto sicuro per le scansioni corporee a raggi X. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in Revisione fisica applicata .

Optoelettronica al grafene

Da quando Andre Geim e Kostya Novoselov hanno ricevuto il Premio Nobel 2010 per la fisica per aver studiato le proprietà elettroniche uniche del grafene, l'interesse verso questo materiale non è mai diminuito. Il grafene è veramente bidimensionale:è costituito da uno strato di carbonio dello spessore di un atomo, che è uno dei motivi per cui le sue proprietà sono così sorprendenti. È sottile ma meccanicamente forte, impermeabile anche agli atomi di elio, e conduce molto bene elettricità e calore. L'elevata mobilità degli elettroni nel grafene lo rende un materiale promettente per fotorivelatori ultraveloci, compresi quelli che operano nella gamma dei terahertz.

radiazione THz, noto anche come onde T, è altrettanto difficile da generare e da rilevare. Ciò ha dato origine alla nozione di "gap di terahertz, " che si riferisce alla banda di frequenza di circa 0,1-10 THz nello spettro elettromagnetico. Non esistono dispositivi efficienti per generare e rilevare radiazioni in questa gamma. Tuttavia, Le onde T sono molto importanti per l'umanità:non danneggiano il corpo e quindi potrebbero sostituire i raggi X nelle scansioni mediche. Anche, Le onde T potrebbero rendere il Wi-Fi molto più veloce e sbloccare una banda di radiazione cosmica poco studiata per la ricerca astronomica.

Nonostante il grande potenziale del grafene per il fotorilevamento, il suo monostrato assorbe da solo solo il 2,3% circa della radiazione esterna, che non è sufficiente per un rilevamento affidabile. Un modo per aggirare questo è localizzare fortemente il campo vicino al grafene, costringendo un'onda elettromagnetica ad accoppiarsi con elettroni di grafene ed eccitare oscillazioni risonanti. L'onda collettiva risultante del campo elettromagnetico e degli elettroni di conduzione è nota come plasmone di superficie. Il corrispondente fenomeno della risonanza plasmonica è l'aumento dell'assorbimento della luce dovuto all'eccitazione delle onde plasmoniche superficiali.

Sfortunatamente, questo fenomeno non si osserva in un foglio continuo di un conduttore illuminato con onde piane. La lunghezza d'onda del plasmone è troppo corta rispetto a quella del fotone, ecco perché queste due onde difficilmente possono essere sincrone. Per affrontare questa disparità, una grata metallica è posta sopra il film di grafene. Assomiglia a un minuscolo pettine con i denti a meno di un micrometro di distanza.

Grafene:aspettative contro realtà

Sono disponibili decine di tecniche per la produzione di grafene. Differiscono in termini di qualità del prodotto finale e intensità di lavoro. I ricercatori che elogiano l'elevata mobilità degli elettroni nel grafene hanno spesso minimizzato quanto sia difficile produrre questo materiale.

Il grafene di altissima qualità viene prodotto mediante esfoliazione meccanica. Ciò comporta il posizionamento di un pezzo di grafite tra due nastri adesivi, che poi strappano strati progressivamente più sottili in più iterazioni. Ad un certo punto, frammenti di grafene, cioè grafite monostrato—emergono. Tale grafene "fatto a mano" ha le migliori caratteristiche per i dispositivi applicati, come il rilevatore risonante di onde T basato su grafene incapsulato creato dai ricercatori del MIPT, Università pedagogica statale di Mosca, e l'Università di Manchester. Sfortunatamente, i fiocchi di grafene prodotti mediante esfoliazione meccanica sono larghi solo micrometri, impiegare diversi mesi per produrre, e finiscono per essere troppo costosi per la progettazione di dispositivi seriali.

Esiste una tecnica alternativa più semplice e scalabile per la sintesi del grafene chiamata deposizione chimica da vapore (CVD). Si tratta di gas in decomposizione, normalmente, una miscela di metano, idrogeno, e argon, in una fornace speciale. Il processo porta alla formazione di un film di grafene su un substrato di rame o nichel. Il grafene risultante ha caratteristiche più scadenti e più difetti rispetto a quello esfoliato meccanicamente. Ma CVD è attualmente la tecnologia più adatta per aumentare la produzione di dispositivi.

I fisici russi hanno deciso di testare se tale grafene di qualità commerciale è abbastanza buono per l'eccitazione della risonanza plasmonica THz, che lo renderebbe un materiale valido per i rivelatori di onde T.

"In realtà, un film di grafene prodotto da CVD non è omogeneo. Come un policristallo, è costituito da numerosi grani fusi. Ognuna è una regione ordinata con uno schema atomico completamente simmetrico. confini del grano, insieme ai difetti, rendere il lavoro con tale grafene tutt'altro che facile, ", ha affermato Elena Titova, coautrice dello studio e studentessa laureata al MIPT.

Il team ha impiegato più di un anno per padroneggiare il lavoro con il grafene CVD presso il Centro di strutture di ricerca condivise dell'Istituto. Nel frattempo, i colleghi del dipartimento teorico del laboratorio erano convinti che non si sarebbe osservata alcuna risonanza plasmonica. Il motivo è che la visibilità della risonanza è determinata dal cosiddetto fattore di qualità, ovvero, quanti periodi passa il campo prima che l'elettrone incontri un difetto reticolare. Le stime teoriche prevedevano un fattore Q molto basso limitato da frequenti collisioni con difetti di elettroni nel grafene CVD. Detto ciò, l'elevata mobilità degli elettroni nel grafene emerge non a causa di frequenti collisioni di elettroni, ma a causa di una bassa massa di elettroni, che consente la loro rapida accelerazione ad alta velocità.

Teoria ed esperimento

Nonostante le previsioni teoriche pessimistiche, gli autori dell'articolo hanno deciso di fare ancora l'esperimento. La loro determinazione è stata premiata:gli spettri di assorbimento hanno mostrato i picchi indicativi della risonanza plasmonica nel grafene sintetizzato da CVD.

"Il fatto è che non tutti i difetti sono uguali, e gli elettroni si scontrano con diversi difetti nelle misurazioni della corrente continua e nelle misurazioni dell'assorbimento di THz, " commenta il responsabile della ricerca, Dmitry Svintsov, che dirige il Laboratorio MIPT di Materiali 2-D per Optoelettronica. "In un esperimento DC, un elettrone incontrerà inevitabilmente i bordi dei grani sulla strada da un contatto elettrico all'altro. Ma quando esposto alle onde T, fluttuerà per lo più all'interno di un singolo grano, lontano dai suoi confini. Ciò significa che i difetti che compromettono la conduttività CC sono in realtà "sicuri" per il rilevamento dell'onda T".

Un ulteriore mistero aveva a che fare con la frequenza di eccitazione risonante del plasmone, che era in disaccordo con le teorie preesistenti. Si è rivelato correlato alla geometria della griglia metallica in modo inaspettato. Il team ha scoperto che quando posizionato vicino al grafene, il reticolo (raffigurato in arancione nella figura 1) ha modificato la distribuzione del campo plasmonico. Ciò ha portato alla localizzazione dei plasmoni sotto i "denti a pettine, " i cui bordi fungevano da specchi per i plasmoni. I ricercatori hanno formulato una teoria molto semplice che descrive il fenomeno basandosi su un'analogia con il modello a legame stretto della fisica dello stato solido. La teoria riproduce bene i dati sperimentali senza ricorrere a parametri di adattamento e può essere utilizzato per ottimizzare i futuri rilevatori di onde T.