Электроны чувствуют тепло в новом графеновом фотоприемнике
Исследователи из США обнародовали новый способ использования графена для обнаружения света. Их болометр, на основе графена, работает в инфракрасном диапазоне, и хотя первая версия устройства требует охлаждения до очень низкой температуры, новые модели должны работать при комнатной температуре. Эти устройства могут найти применение в широком спектре областей, в том числе при досмотре в аэропортах, рентгенографии и терагерцовой радиоастрономии.
Предыдущие схемы использования графена - соты углерода толщиной всего в один атом - для обнаружения света в основном акцентированы на фотоэлектрические или термоэлектрические эффекты, в которых свет или перепады температур, соответственно, преобразуется в электрические сигналы. А вот болометр является прибором, который поглощает свет и превращает его в тепло. Это тепло влияет на электрическое сопротивление поглощающего материала, и именно это изменение измеряют.
Графен может сыграть важную роль в болометрах будущего, поскольку он может поглощать свет в очень широком диапазоне длин волн. Они варьируются от ультрафиолетового до инфракрасного и частично до электромагнитного спектра. Особенно хорошо графен поглощает свет в инфракрасном диапазоне. Известно, что электроны в графене слабо связаны с колебаниями решетки (фононами). Это означает, что когда эти электроны поглощают свет, они нагреваются, но атомы остаются холодными. «Это позволяет электронам быть гораздо горячее, чем в противном случае, то есть, как если бы они просто отдавали свое тепло фононам», объясняет Майкл Фюрер (Michael Fuhrer) из Университет штата Мэриленд, который возглавлял разработку нового устройства.
Металл к полупроводнику
В нормальном состоянии, однако, сопротивление графена практически не зависит от температуры, что не очень полезно для создания болометра. Фюрер и его коллеги преодолели эту проблему с помощью двухслойного графена в их устройстве. Они создали две электрические схемы: одна над бислоем, а другая ниже бислоя. Эти схемы используются для приложения электрического поля перпендикулярно слоям, которое открывает небольшой ширины запрещенную зону в графене, таким образом, превращая его из металла в полупроводник. Графен также подсоединен к двум золотым электродам, которые используются для измерения его сопротивления.
«Сопротивление полупроводникового биграфена сильно зависит от температуры, что делает его превосходным болометром», объясняет Майкл Фюрер.
Сегодня болометр работает только при температуре около 6 К, так что первоначально он может использоваться в приложениях, где высокая чувствительность не требуется - например, в субмиллиметровом диапазоне волн (ТГц) радиоастрономии. Тем не менее, исследователи заняты разработкой новой версии графенового болометра, который, как они считают, будет работать при комнатной температуре.
Высокая частота считывания
Группа также планирует улучшить свое низкотемпературное устройство и в другом направлении. «Проблема у нас в том, что биграфен поглощает только несколько процентов падающего света и полупроводниковый материал обладает высоким сопротивлением, а это делает трудным высокочастотное считывание», объясняет Майкл Фюрер. «Мы пытаемся повысить поглощение света, воспользовавшись плазмонным резонансом в графене, а также изыскиваем пути для снижения сопротивления прибора, например, с помощью сверхпроводящих электродов».