Спор о причинах возникновения тока в графене под действием света завершился ничьей

Оказалось, что механизм возникновения тока в графене под действием электромагнитного излучения можно объяснять по-разному в зависимости от условий эксперимента. Ранее существовало несколько разных гипотез, которые объясняли это явление. Новое совместное исследование российских и британских ученых показало, что все они верны, но только при разных температурах. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

При воздействии электромагнитного излучения на полупроводники (то есть вещества, в которых электрическая проводимость зависит от температуры), электроны в них начинают двигаться – это явление называют фототоком. Обычно полупроводники реагируют на излучение с энергией не меньше некоторого порогового значения. Однако в графене (особой двумерной форме углерода) фототок возникает при любых энергиях падающего электромагнитного излучения. При этом механизмы и законы этого явления до сих пор остаются неясными. Особенно остро стоял этот вопрос для фототока, вызванного терагерцевым излучением (с длиной волны порядка десятых долей миллиметра). Ученые из МФТИ, МГПУ, МИЭТ и НИЦ «Курчатовский институт» совместно с британскими коллегами определили основные физические принципы, которые объясняют, как и почему в графене возникает фототок.

При воздействии терагерцового излучения в графене возникают три основных эффекта, считают авторы. Во-первых, из-за разности температур контактов, которые подсоединяют к пластине графена (контакт антенны, принимающей терагерцовое излучение и считывающий контакт) возникает так называемый фото-термоэлектрический эффект: электроны приходят в движение от горячего контакта к холодному, подобно воздуху, поднимающемуся вверх от теплой батареи. Во-вторых, контакты, подключенные к графену, пропускают высокочастотный сигнал только определенной полярности (направления) – так возникает эффект выпрямленного тока. В-третьих, считывающий контакт регистрирует усредненные значения тока – этот эффект называется плазмонным выпрямлением.

«Раньше фототок в подобных детекторах пытались объяснить лишь одним из этих механизмов, а другие полностью игнорировались, — рассказывает один из исследователей, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Дмитрий Свинцов. — В действительности, работают все три, и в нашей работе мы выяснили, какой эффект при каких параметрах доминирует. При низких температурах доминируют термоэлектрические эффекты, а при высоких температурах и в приборах с большой длиной канала – плазмонное выпрямление. Главное – мы поняли, как сделать детектор, где разные механизмы фотоотклика будут друг друга усиливать, а не мешать друг другу».

На основе полученных результатов ученые создали терагерцевый детектор с повышенной чувствительной. Чтобы добиться этого, они «упаковали» графен в нитрид бора. Оказалось, что описанные явления при такой «упаковке» приводят к рекордным значениям чувствительности созданного детектора. По мнению авторов, результаты исследования, помогут подобрать новые технологические решения для создания терагерцевых детекторов, и приблизят создание высокоскоростных Wi-Fi устройств, улучшат приборы безопасной медицинской диагностики и обнаружения опасных веществ.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.