Investigadores rusos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y el Instituto de Física y Tecnología de Valiev han demostrado la absorción resonante de la radiación de terahercios en el grafeno disponible comercialmente. Este es un paso importante hacia el diseño de detectores de terahercios eficientes para permitir una conexión a Internet más rápida y un reemplazo seguro para los escáneres corporales de rayos X. Los resultados de la investigación se publicaron en Revisión física aplicada .

Optoelectrónica de grafeno

Desde que Andre Geim y Kostya Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física 2010 por estudiar las propiedades electrónicas únicas del grafeno, el interés por este material nunca ha disminuido. El grafeno es verdaderamente bidimensional:consiste en una capa de carbono de un átomo de espesor, que es una de las razones por las que sus propiedades son tan sorprendentes. Es delgado pero mecánicamente fuerte, impermeable incluso a los átomos de helio, y conduce la electricidad y el calor extremadamente bien. La alta movilidad de los electrones en el grafeno lo convierte en un material prometedor para fotodetectores ultrarrápidos. incluidos los que operan en el rango de terahercios.

Radiación de THz, también conocidas como ondas T, es igualmente difícil de generar y de detectar. Esto dio lugar a la noción de una "brecha de terahercios, "que se refiere a la banda de frecuencia de aproximadamente 0,1-10 THz en el espectro electromagnético. No existen dispositivos eficientes para generar y detectar radiación en este rango. No obstante, Las ondas T son muy importantes para la humanidad:no dañan el cuerpo y, por lo tanto, podrían reemplazar a los rayos X en los escáneres médicos. También, Las ondas T podrían hacer que el Wi-Fi sea mucho más rápido y desbloquear una banda de radiación cósmica poco estudiada para la investigación astronómica.

A pesar del gran potencial del grafeno para la fotodetección, su monocapa por sí sola absorbe solo alrededor del 2,3% de la radiación externa, lo cual no es suficiente para una detección confiable. Una forma de evitar esto es localizar fuertemente el campo cerca del grafeno, forzando una onda electromagnética a acoplarse con electrones de grafeno y excitar oscilaciones resonantes. La onda colectiva resultante del campo electromagnético y los electrones de conducción se conoce como plasmón de superficie. El fenómeno correspondiente de resonancia de plasmón es la absorción de luz mejorada debido a la excitación de las ondas de plasmón de superficie.

Desafortunadamente, este fenómeno no se observa en una hoja continua de un conductor iluminado con ondas planas. La longitud de onda del plasmón es demasiado corta en comparación con la del fotón, es por eso que estas dos ondas difícilmente pueden ser sincrónicas. Para abordar esta disparidad, se coloca una rejilla metálica sobre la película de grafeno. Se parece a un peine diminuto con dientes separados por menos de un micrómetro.

Grafeno:expectativas frente a realidad

Hay docenas de técnicas disponibles para producir grafeno. Se diferencian por la calidad del producto final y la intensidad del trabajo. Los investigadores que elogian la alta movilidad de los electrones en el grafeno a menudo han restado importancia a lo difícil que es fabricar este material.

El grafeno de la más alta calidad se produce mediante exfoliación mecánica. Esto implica colocar un trozo de grafito entre dos cintas adhesivas, que luego arrancan capas progresivamente más delgadas en múltiples iteraciones. En algún momento, fragmentos de grafeno, es decir, grafito monocapa:emerge. Este grafeno "hecho a mano" tiene las mejores características para dispositivos aplicados, como el detector de ondas T resonantes basado en grafeno encapsulado creado por investigadores de MIPT, Universidad Pedagógica Estatal de Moscú, y la Universidad de Manchester. Desafortunadamente, las escamas de grafeno fabricadas por exfoliación mecánica tienen solo micrómetros de ancho, tardar varios meses en producir, y terminan siendo demasiado costosos para el diseño de dispositivos en serie.

Existe una técnica alternativa más fácil y escalable para la síntesis de grafeno llamada deposición química de vapor (CVD). Implica la descomposición de gases, normalmente, una mezcla de metano, hidrógeno, y argón, en un horno especial. El proceso conduce a la formación de una película de grafeno sobre un sustrato de cobre o níquel. El grafeno resultante tiene peores características y más defectos que el exfoliado mecánicamente. Pero CVD es actualmente la tecnología más adecuada para ampliar la producción de dispositivos.

Los físicos rusos se propusieron probar si dicho grafeno de grado comercial es lo suficientemente bueno para la excitación de resonancia de plasmón THz. lo que lo convertiría en un material válido para detectores de ondas T.

"Realmente, una película de grafeno producida por CVD no es homogénea. Como un policristal, consta de numerosos granos fusionados. Cada uno es una región ordenada con un patrón atómico completamente simétrico. Los límites de grano, junto con defectos, hacer que trabajar con este tipo de grafeno no sea nada fácil, ", dijo la coautora del estudio y estudiante de posgrado del MIPT, Elena Titova.

El equipo tardó más de un año en dominar el trabajo con grafeno CVD en el Centro de Instalaciones de Investigación Compartidas del Instituto. Mientras tanto, los colegas del departamento teórico del laboratorio estaban convencidos de que no se observaría ninguna resonancia de plasmón. La razón es que la visibilidad de la resonancia está determinada por el llamado factor de calidad, es decir, cuántos períodos pasa el campo antes de que el electrón encuentre un defecto de red. Las estimaciones teóricas predijeron un factor Q muy bajo limitado por frecuentes colisiones electrón-defecto en el grafeno CVD. Dicho eso la alta movilidad de electrones en el grafeno no surge debido a colisiones de electrones poco frecuentes, pero debido a una baja masa de electrones, lo que permite su rápida aceleración a una alta velocidad.

Teoría y experimento

A pesar de las predicciones teóricas pesimistas, los autores del artículo decidieron seguir haciendo el experimento. Su determinación fue recompensada:los espectros de absorción exhibieron los picos indicativos de resonancia de plasmón en grafeno sintetizado por CVD.

"Lo que pasa es que no todos los defectos son iguales, y los electrones chocan con diferentes defectos en las mediciones de corriente continua y las mediciones de absorción de THz, "comenta el supervisor de investigación, Dmitry Svintsov, quien dirige el Laboratorio MIPT de Materiales 2-D para Optoelectrónica. "En un experimento de DC, un electrón inevitablemente encontrará límites de grano en el camino de un contacto eléctrico al otro. Pero cuando se expone a ondas T, fluctuará principalmente dentro de un solo grano, lejos de sus límites. Esto significa que los defectos que afectan la conductividad de CC son realmente 'seguros' para la detección de ondas T ".

Otro misterio tenía que ver con la frecuencia de la excitación del plasmón resonante, que no estaba de acuerdo con las teorías previamente existentes. Resultó estar relacionado con la geometría de la rejilla metálica de una manera inesperada. El equipo descubrió que cuando se coloca cerca del grafeno, la rejilla (representada en naranja en la figura 1) modificó la distribución del campo de plasmones. Esto llevó a la localización del plasmón debajo de los "dientes de peine, "cuyos bordes actuaron como espejos para los plasmones. Los investigadores formularon una teoría muy simple que describe el fenómeno basándose en una analogía con el modelo de unión estrecha de la física del estado sólido. La teoría reproduce bien los datos experimentales sin recurrir a parámetros de ajuste y puede ser utilizado para optimizar futuros detectores de ondas T.