(A) Схема лазера-транзистора, (B) фотография прибора и снимок со сканирующего электронного микроскопа, (C) конструктивные параметры прибора
Одна из важных задач современной физики полупроводников – создание компактных источников излучения терагерцового диапазона частот. Он находится между инфракрасным и микроволновым диапазонами частот, а длина волны составляет 0.1-1 мм, из-за чего терагерцовое излучение еще называют субмиллиметровым. В этом диапазоне можно увидеть спектры сложных органических молекул, например ДНК, взрывчатых или загрязняющих веществ. Кроме того, это излучение легко «проходит» сквозь диэлектрики и позволяет «посмотреть» сквозь дерево, керамику или пластик. Поэтому такие источники востребованы для многих приложений: мониторинга окружающей среды, медицины, для реализации беспроводных систем связи новых поколений. Коллектив ученых из России, США и Японии проводит исследования по созданию плазмонных метаматериалов на основе графена, необходимых для разработки такого источника. Российскую сторону в этом исследовании представляют сотрудники Института физики микроструктур РАН (филиал ИПФ РАН), Института радиоэлектроники РАН и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.
Исследование свойств графена началось с пионерской работы нобелевских лауреатов Константина Новоселова и Андрея Гейма с соавторами, которые получили первые образцы монослойного графена путем микромеханического расщепления графита. Необычная зонная структура этого материала была предсказана канадским физиком-теоретиком Филипом Расселом Уоллесом еще в 1947 году. Необычность состоит в том, что графен - это бесщелевой полупроводник. Это позволяет использовать графеновые структуры в качестве фотодетекторов, модуляторов, источников излучения, эталонов сопротивления и транзисторов, работающих при комнатной температуре. Вследствие отсутствия энергетической щели между состояниями электронов и дырок в графене такие оптоэлектронные приборы могут работать в терагерцовом диапазоне частот.
Моделирование пространственного распределения Z - компоненты рассматриваемого электрического поля плазмона на частоте волны 5.3 ТГц
Плазмон (квант плазменных колебаний) — это псевдочастица, представляющая собой сочетание колеблющихся электронов и связанного с ним электромагнитного поля. Они возникают в твердых телах из-за колебаний электронов относительно ионов проводимости и бывают нескольких видов. В своем исследовании группа ученых предлагает использовать двумерные плазмоны — кванты колебаний плотности свободных электронов графена вдоль его границы с диэлектриком. Важным свойством двумерного плазмона является его малая скорость по сравнению со скоростью света. Чем меньше скорость, тем мощнее плазмон. Как показали теоретические расчеты, проведенные российской стороной, использование плазмонного механизма усиления вместо фотонного приведет к созданию более мощных и компактных лазеров терагерцового диапазона частот.
Графен обладает широким спектром излучения. Чтобы его «сузить» до определенной частоты при разработке лазера, необходим особый резонатор с высокой добротностью. Чтобы добиться этого, ученые создали периодические металлические контакты на структуре со слоем графена, выращенным на подложке из карбида кремния. Такие искусственно созданные композиционные материалы называются метаматериалами. Их свойства обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Часть металлических контактов обеспечивала накачку током, а другая предназначалась для управления типом проводимости в определенной части графенового слоя и создания таким образом излучающего диода с определенной длиной волны. Недавно японским коллегам с участием ученых ИФМ РАН удалось впервые продемонстрировать в такой структуре лазерную генерацию на частоте 5,2 ТГц при температуре до 100 K.
«Мы продолжаем исследование в данном направлении, но пытаемся использовать более технологичные полупроводниковые структуры из ртути, кадмия и теллура (HgCdTe) c узкозонными квантовыми ямами HgTe вместо графена. Использование таких структур может привести к улучшению результатов. Кроме того, такие структуры выращиваются в России (Институт физики полупроводников СО РАН), а экспериментальные исследования будут проводиться в ИФМ РАН», – отмечает Александр Дубинов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела физики полупроводников ИФМ РАН.
Graphene-based plasmonic metamaterial for terahertz laser transistors. T.Otsuji, S.A. Boubanga-Tombet, A.Satou, D. Yadav, H. Fukidome, T. Watanabe, T. Suemitsu, A.A.Dubinov, V.V.Popov, W.Knap.NANOPHOTONICS 2022, DOI: 10.1515/nanoph-2021-0651.
https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2021-0651/html.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИПФ РАН
Источник фото: ИПФ РАН
