Клуб выпускников МГУ: Графен и плазмоника ускорят интернет

Андрей Гейм, Константин Новоселов и их коллеги совершили новый прорыв в исследованиях графена, на этот раз в области фотоники и оптоэлектроники. Дополнив графеновый фотодетектор плазмонной наноструктурой, они увеличили его эффективность в десятки раз, сделав применение этой технологии в высокоскоростных оптических коммуникационных системах вопросом ближайшего будущего.

Команда ученых из Кембриджского и Манчестерского университетов, включающая нобелевских лауреатов 2010 года в области физики Константина Новоселова и Андрея Гейма, опубликовала первые результаты своей совместной работы в журнале Nature Communications. Исследователи предложили принципиально новый способ улучшения фотоэлектрических свойств графена. Соединив этот уникальный материал с плазмонной наноструктурой, ученые добились колоссального увеличения эффективности светопоглощения графенового фотодетектора.

Графен - самый тонкий в мире материал, представляющий собой двумерную решетку, составленную из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. С момента открытия (в 2004 году) графена Новоселовым и Геймом, отмеченного недавно Нобелевским комитетом, огромное количество научных групп по всему миру сосредоточили свои силы на разработке новых способов получения этого материала, исследовании химических и физических свойств и создании новых наноустройств на его основе.

На первых порах основное внимание ученые уделяли фундаментальным исследованиям уникальных физических свойств и явлений, наблюдаемых в графене, а также возможностям их применения в электронных наноустройствах. Однако многие считали и продолжают считать, что большое будущее ожидает графен в оптоэлектронике и фотонике. В частности, группа физиков из исследовательского центра Томаса Джона Уотсона компании IBM опубликовала в 2009 году в Nature Nanotechnology, а затем в 2010 году в Nature Photonics работы, в которых описан ультрабыстрый графеновый фотодетектор.

Если на поверхность графена нанести металлические контакты, а затем облучить его светом, можно получить электрический ток.

Это несложное устройство представляет собой простейшую 'солнечную батарейку', или фотодетектор, который в десятки, а потенциально и в сотни раз превосходит в быстродействии (то есть времени отклика) свои традиционные полупроводниковые аналоги. Это связано с уникально высокой подвижностью и большой скоростью носителей заряда в графене. Основным препятствием на пути применения этой технологии в реальных приборах до сегодняшнего дня оставалась катастрофически низкая эффективность подобных фотоэлементов. Графен абсорбирует немногим больше 2% падающего на него света, тогда как основная часть электромагнитных волн проникает сквозь графен, не внося никакого вклада в генерацию электрического тока.

Очевидно, что для развития направления графеновых фотодетекторов нужен был какой-то внешний толчок, происходящий из смежной области материаловедения. И такой областью стала плазмоника. Эффект плазмонного резонанса (возбуждение внешней электромагнитной волной плазмона - квазичастицы, отвечающей за колебания свободных электронов в проводнике - 'Газета.Ru' ) - используется для усиления электромагнитного поля на поверхности и увеличения светопоглощения материалов. К примеру, в 2008 году в журнале Physical Review B была описана плазмонная наноструктура, которая при определенных условиях ведет себя почти как абсолютно черное тело, поглощая до 99% падающего на нее света.

Одним из авторов этой статьи стал доктор Александр Григоренко, работающий на факультете астрономии и физики Манчестерского университета, то есть там же, где и один из первооткрывателей графена Константин Новоселов.

Неудивительно, что в один прекрасный момент коллеги решили объединить свои знания, опыт и идеи. 'Мы работаем вместе с Сашей уже несколько лет. Наши офисы и лаборатории расположены на одном этаже. Мы даже вместе играем в футбол. Так что я был в курсе, что сейчас происходит в плазмонике, а он знал о 'горячих темах' в области графена, - рассказал'Газете.Ru' Константин Новоселов. - Плазмонное усиление не новая идея: его уже применяли для других материалов. Но по ряду причин с графеном оно работает значительно лучше'.

Александр Григоренко схожим образом прокомментировал возникновение идеи, легшей в основу их совместной работы: 'Графен представляется естественным спутником плазмоники. Мы ожидали, что плазмонная наноструктура сможет повысить эффективность устройств на базе графена, но оказалось приятным сюрпризом, что возможно добиться настолько резких улучшений'.

Чтобы добиться эффекта плазмонного усиления, исследователи нанесли на поверхность графена вблизи микроконтактов наноструктуры из титана и золота с помощью электроннолучевой литографии.

При облучении лазерным пучком в область локализации плазмонной наноструктуры в ячейке регистрировали фототок, значительно превышающий аналогичные показатели для графена, не подвергнутого поверхностной модификации. Величина эффекта зависела от длины волны возбуждающего света. Этот факт доказывает, что наблюдаемый эффект имеет плазмонное происхождение. К примеру, самое сильное увеличение, более чем в 20 раз, наблюдалось для длины волны 514 нм на 'пальчиковой' наноструктуре, состоящей из металлических полосок шириной 110 нанометров.

Это именно та структура, которая была описана в статье Григоренко и его коллег про плазмонное 'черное тело', и именно та длина волны видимого света, которая вызывает в данном случае плазмонный резонанс.

Если в стандартном графеновом фотоэлементе сам свет провоцирует образование в графене свободных носителей заряда, которые и создают фототок, то в модифицированной с помощью плазмонной наноструктуры ячейке механизм несколько сложнее. Свет возбужает плазму - электронный газ в металлических наночастицах, ее резонансные колебания генерируют электромагнитное поле, которое и 'чувствует' графен, реагируя на него образованием дополнительных свободных носителей заряда.

'Мы попробовали несколько наноструктур, - рассказал Константин Новоселов. - В принципе мы ожидали, что 'пальчики' будут наиболее эффективными. Для этого есть много причин, как формирование электронно-дырочного перехода ( он формируется на границе металл-графен и вносит существенный вклад в фототок - 'Газета.Ru' ), так и плазмонное усиление'. Все же мы попробовали несколько других структур. Некоторые из них показали довольно интересные результаты. Возможно, с точки зрения применения - нет, но физика там очень захватывающая. Так что мы продолжаем работать над этим'. Константин пообещал, что в скором времени группа опубликует и другие результаты, которые он считает гораздо более интересными с научной точки зрения.

Впрочем, в первую очередь именно возможность применения вызывает столь бурный интерес к графену, и сами ученые отмечают это. 'Многие компании, лидеры на рынке электроники, рассматривают графен как основу следующего поколения электронных устройств.

Эта работа, безусловно, еще больше увеличила шансы графена'.

Профессор инженерного факультета Кембриджского университета Андреа Феррари, лидер кембриджского крыла исследовательской команды, также подчеркнул прикладное значение работы: 'Эти результаты показывают его ( графена - 'Газета.Ru' ) огромный потенциал в области фотоники и оптоэлектроники, где его уникальные оптические и электрические свойства в комбинации с плазмонными наноструктурами могут быть использованы в полной мере: в разнообразных полезных устройствах, таких как солнечные батареи и фотодетекторы'.

Такие быстродействующие элементы могут понадобиться, в том числе, в оптических сетях и системах связи будущего - к примеру, для развития высокоскоростного интернета, полагают ученые.

Найден способ изготовления эффективных фотодетекторов на базе графена

Группа физиков из Кембриджского и Манчестерского университетов, в которую входят лауреаты Нобелевской премии Андрей Гейм и Константин Новоселов, нашла простой способ увеличения эффективности фотодетекторов, изготавливаемых на базе графена.

Носители заряда в графене при комнатной температуре демонстрируют отличную подвижность и высокую скорость Ферми, что обеспечивает быструю работу и хорошую квантовую эффективность(отношение числа фотонов, поглощение которых привело к образованию электронно-дырочных пар, к общему числу падающих фотонов) графеновых фотоприемников. Хотя точный механизм преобразования света в ток до сих пор не определен, для разделения созданных электронно-дырочных пар обычно требуется p-n переход, создаваемый вблизи контактов.

К недостаткам графеновых детекторов относят слабое поглощение света (всего 2,3% для излучения, падающего под прямым углом) и сложность 'извлечения' фотоэлектронов (в получении тока участвует совсем небольшая часть p-n перехода). Кроме того, в условиях равномерного облучения обоих контактов устройства фототок просто не вырабатывается, если только контакты выполнены не из разных материалов.

Одним из возможных способов решения этих проблем считается использование плазмонныхнаноструктур. Если разместить их рядом с контактами, наноструктуры будут поглощать излучение и вызывать усиление локального электрического поля, сконцентрированного в области p-n перехода. Иными словами, плазмонные 'надстройки' направляют электромагнитную энергию прямо к p-n переходу, а это должно положительно влиять на характеристики фотодетекторов.

Сверху: один из образцов под сканирующим электронным микроскопом. Фиолетовым выделен диоксид кремния, синим - графен, желтым - контакты. Масштабная полоска - 20 мкм. Снизу: разные варианты плазмонных наноструктур, расположенных у контактов. Масштабные полоски - 1 мкм. (Иллюстрация из журнала Nature Communications.)

Чтобы оценить эффективность такого решения, ученые изготовили детекторы из однослойного графена с контактами из титана и золота. Наноструктуры разных видов, примеры которых приведены на рисунке выше, располагались рядом с одним из контактов каждого устройства. Последующие опыты, заметим, показали, что наилучшие результаты дает простая решетка (на рисунке - b).

Направляя лазерное излучение на образцы, авторы следили за тем, как фотонапряжение, измеряемое при комнатной температуре, зависит от структуры контакта. Результаты эксперимента оказались более чем убедительными: плазмонные наноструктуры в несколько раз увеличивали снимаемое фотонапряжение, в некоторых случаях обеспечивая двадцатикратный прирост.

Применение плазмонных наноструктур позволяет резко увеличить фотонапряжение, нормированное на мощность лазера (показано красным). Синим выделены результаты 'обычного' плоского контакта, а розовым - кратность прироста фотонапряжения. Опыт выполнялся на длине волны в 514 нм. (Иллюстрация из журнала Nature Communications.)

Полная версия отчета опубликована в журнале Nature Communications; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Манчестерского университета.