Ilustración. Fotorespuesta en grafeno. Crédito:Lion_on_helium, MIPT
Los físicos del MIPT y sus colegas británicos y rusos revelaron los mecanismos que conducen a la fotocorriente en el grafeno bajo radiación de terahercios. El trabajo publicado en Letras de física aplicada pone fin a un prolongado debate sobre los orígenes de la corriente continua en el grafeno iluminado por radiación de alta frecuencia, y también prepara el escenario para el desarrollo de detectores de terahercios de alta sensibilidad. Dichos detectores tienen aplicaciones en diagnósticos médicos, comunicaciones inalámbricas y sistemas de seguridad.
En 2005, Los ex alumnos del MIPT Andre Geim y Konstantin Novoselov estudiaron experimentalmente el comportamiento de los electrones en el grafeno, una red de panal plana de átomos de carbono. Descubrieron que los electrones del grafeno responden a la radiación electromagnética con una energía cuántica, mientras que los semiconductores comunes tienen un umbral de energía por debajo del cual el material no responde en absoluto a la luz. Sin embargo, la dirección del movimiento de los electrones en el grafeno expuesto a la radiación ha sido durante mucho tiempo un punto de controversia, ya que hay muchos factores que lo empujan en diferentes direcciones. La controversia fue especialmente severa en el caso de la fotocorriente causada por la radiación de terahercios.
La radiación de terahercios tiene un conjunto único de propiedades. Por ejemplo, pasa fácilmente a través de muchos dieléctricos sin ionizarlos; esto es de particular valor para los sistemas de seguridad o de diagnóstico médico. Una cámara de terahercios puede detectar armas ocultas debajo de la ropa de una persona, y un escáner médico puede revelar enfermedades de la piel en etapas tempranas detectando las líneas espectrales ("huellas dactilares") de biomoléculas características en el rango de terahercios. Finalmente, el aumento de la frecuencia portadora de los dispositivos Wi-Fi de varios a cientos de gigahercios (en el rango de sub-terahercios) aumentará proporcionalmente el ancho de banda. Pero todas estas aplicaciones necesitan un Detector de terahercios de bajo ruido que se fabrica fácilmente.
Figura 1. Diagrama de cableado de un detector de terahercios basado en grafeno:la radiación de terahercios llega a la antena conectada a los terminales izquierdo (fuente) y superior (puerta) de un transistor. Esto genera fotocorriente directa (o un voltaje constante, dependiendo de la configuración de medición) entre los terminales izquierdo y derecho, que es una medida de la intensidad de la radiación. Crédito:Lion_on_helium, MIPT
Un detector de terahercios diseñado por investigadores del MIPT, MSPU y la Universidad de Manchester es una lámina de grafeno (de color verde en las figuras uno y dos) intercalada entre capas dieléctricas de nitruro de boro y acoplada eléctricamente a una antena de terahercios, una espiral de metal de aproximadamente un milímetro de tamaño. A medida que la radiación incide en la antena, mece electrones en un lado de la hoja de grafeno, mientras que la corriente continua resultante se mide en el otro lado. Es el "empaquetado" de grafeno en nitruro de boro lo que permite características eléctricas récord, dando al detector una sensibilidad superior a los diseños anteriores. Sin embargo, el principal resultado de la investigación no es un instrumento de mejor desempeño; es la comprensión de los fenómenos físicos responsables de la fotocorriente.
Hay tres efectos principales que conducen al flujo de corriente eléctrica en el grafeno expuesto a la radiación de terahercios. El primero, el efecto fototermoeléctrico, se debe a la diferencia de temperatura entre el terminal de la antena y el terminal de detección. Esto envía electrones del terminal caliente al frío, como el aire que sube desde un radiador caliente hasta un techo frío. El segundo efecto es la rectificación de la corriente en los terminales. Resulta que los bordes del grafeno dejan pasar solo la señal de alta frecuencia de cierta polaridad. El tercer y más interesante efecto se llama rectificación de ondas de plasma. Podemos pensar en el terminal de la antena como si estuviera agitando "olas en el mar electrónico" de la tira de grafeno, mientras que el terminal sensor registra la corriente promedio asociada con estas ondas.
"Los intentos anteriores de explicar la fotocorriente en tales detectores utilizaron solo uno de estos mecanismos y excluyeron todos los demás, "dice Dmitry Svintsov de MIPT." En realidad, los tres están en juego, y nuestro estudio encontró qué efecto domina en qué condiciones. Los efectos termoeléctricos dominan a bajas temperaturas, mientras que la rectificación plasmónica prevalece a altas temperaturas y en instrumentos de canales más largos. Y lo principal es que descubrimos cómo hacer un detector en el que los diferentes mecanismos de fotorrespuesta no se cancelen entre sí, sino reforzarse unos a otros ".
Figura 2. El área de operación del detector de terahercios:la franja verde es grafeno, pistas de oro conducen a la antena y un amperímetro de detección. La tira blanca mide 6 micrones de largo. Crédito:Lion_on_helium, MIPT
Estos experimentos contribuirán al mejor diseño de detectores de terahercios y al desarrollo de dispositivos de detección remota de sustancias peligrosas. diagnósticos médicos seguros, y comunicaciones inalámbricas de alta velocidad.
