Тоньше в сотню раз
Новый метод заставит графен работать как идеальный детектор
В МФТИ нашли способ заставить графен поглощать весь падающий свет вместо привычных нескольких процентов. Для этого отражатель пришлось разместить на расстоянии в сотые доли длины световой волны — гораздо ближе, чем это следует из привычных правил волновой оптики.
Графен и похожие атомарно тонкие материалы почти не поглощают свет: обычный образец графена задерживает всего 2,3% падающего излучения, остальное проходит насквозь. Из-за этого на их основе трудно делать приемники света, особенно в технологически востребованных терагерцевом и инфракрасном диапазонах. Физики МФТИ в сотрудничестве с ИФТТ РАН нашли способ довести поглощение двумерными материалами до 100%: если на материал нанести плотную металлическую сетку и разместить всю структуру над зеркальным отражателем, свет удается поглотить целиком. Расстояние до отражателя при этом может быть намного меньше длины волны, что особенно ценно для микроэлектронных процессов с тонкими диэлектрическими слоями.
Работа выполнена в рамках НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» — научного центра мирового уровня, созданного на базе МФТИ при поддержке государственной программы прорывных исследований.
Кристаллическая структура графена
Кристаллическая структура графена
Материал, сквозь который проходит свет
Графен и иные двумерные материалы — слои толщиной в один атом — хорошо проводят ток и допускают удобное управление количеством электронов проводимости с помощью электрического поля. Но со светопоглощением у большинства двумерных материалов серьезные проблемы: они поглощают лишь пару процентов световой энергии. Так, образец графена задерживает всего 2,3% падающего на него излучения, остальное проходит насквозь или отражается. Похожая проблема есть не только в двумерных материалах, но и в искусственных двумерных системах — например, в квантовых ямах на основе теллурида ртути и кадмия. Из-за этого такие материалы было неудобно использовать в детекторах излучения, особенно в терагерцевом и инфракрасном диапазонах. Исследования графена для таких детекторов мотивировались рекордным быстродействием этого материала, что крайне важно для высокоскоростной оптической передачи данных. Однако без разрешения проблемы поглощения практическое внедрение подобных детекторов было затруднено.
Отражатель, который не помогал
Классическое решение проблемы малого поглощения известно с 1952 года: инженер Уильям Солсбери запатентовал экран, в котором отражающий слой ставится позади поглощающего материала на расстоянии четверти длины волны излучения. Из-за интерференции падающей и отраженной волны происходит увеличение напряженности электромагнитного поля именно там, где находится поглотитель. Для материалов со слабым исходным поглощением такой экран увеличивал поглощение в четыре раза, а в оптимальном случае поглощение с экраном доходило до ста процентов.
В своем патенте Солсбери имел в виду прежде всего радиоволны с длинами в единицы-десятки сантиметров. Поглотитель и экран были довольно большими, а ставили их на нужном расстоянии с помощью механического перемещения. В электронике двумерных материалов гораздо меньше свободы: тонкая пленка размещается на отражающей кремниевой подложке, и между пленкой и подложкой можно нанести не более микрометра диэлектрической прослойки. В видимом диапазоне, где длина волны — сотни нанометров, такие прослойки работают как экран Солсбери. Они увеличивают поглощение двумерными материалами. А уже в среднем инфракрасном (длина волны — единицы-десятки микрон) и терагерцевом (длина волны — сотни микрон) диапазонах такие прослойки гасят излучение. Поглощение графеном становится даже ниже, чем 2,3%.
Парадоксальная металлическая сетка
Команда физиков МФТИ и ИФТТ РАН — Кирилл Капралов, Владислав Атласов, Алина Хисамеева, Вячеслав Муравьев и Дмитрий Свинцов — предложила другую геометрию: сплошной лист двумерного материала покрывается почти полностью металлической сеткой — гребенкой, в которой остаются очень тонкие прорези. Интуитивно кажется, что такая поверхность должна отражать свет, ведь она почти полностью состоит из металла. Однако уравнения Максвелла показывают иное: электрическое поле выталкивается из металла и концентрируется в узких промежутках, заполненных двумерным материалом. Локальное поле там оказывается на порядки сильнее, чем в падающей волне.
Уже одна такая сетка заметно поднимает поглощение двумерного материала. Если расстояние между полосками сделать равным ста микрометрам, а графеновый зазор — одному микрометру, то поглощение возрастает с 2,3% до 22% и будет держаться на таком уровне от сверхнизких частот до трех терагерц. Важно, что поглощение возрастет не резонансным образом на одной частоте, а в очень широком диапазоне частот.
Тоньше в тысячу раз
Если добавить под решеткой отражающий слой и правильно подобрать геометрию, поглощение доходит до 100%. При этом расстояние до отражателя, при котором это происходит, оказывается далеко не таким, как считалось в работе Солсбери и как это следовало из прямого применения правил волновой оптики. Например, на частоте в 1 терагерц (длина волны — 300 микрометров) между поглотителем и отражателем считалось необходимым нанести 38 микрометров диоксида кремния. Эта величина чрезвычайно велика для микроэлектронных процессов, столь толстые пленки имеют огромное количество дефектов. Аккуратный расчет для решетки «металл—графен» показывает, что стопроцентного поглощения можно достичь при толщине зазора всего в 300 нанометров — более чем в сотню раз меньше. Пленки такой толщины уже рутинно создаются в микроэлектронных процессах и имеют высокое качество.
Физика идеального поглощения при использовании сверхблизкого отражателя состоит в следующем. Решетка «металл–графен» ведет себя как электрический конденсатор и добавляет фазовый набег проходящей волне. Фазовый набег эквивалентен прохождению конечного пути световой волной. Поэтому становится возможным уменьшить физическое расстояние до отражателя за счет прохождения через сверхтонкий конденсатор.
«Большинство предшествующих работ по усилению поглощения двумерными слоями было сконцентрировано на плазмонике — усилении поглощения с помощью возбуждения двумерных электронных волн,— говорит соавтор исследования Дмитрий Свинцов.— Однако для этого требовались сверхчистые образцы с высокой подвижностью электронов, а зачастую — еще и низкие температуры. Рецепт, который предлагаем мы, не требует высокой подвижности и подходит даже для дефектных пленок, выращиваемых масштабируемыми химическими методами».
Что это меняет на практике
Чувствительность детекторов терагерцевого и инфракрасного излучений зависит от того, сколько света поглощает рабочий материал, а не отражает или пропускает мимо. Коэффициент поглощения монослоем графена составлял ничтожные 2,3%, а при расположении на отражающей кремниевой подложке становился еще меньше. Использование таких подложек было необходимым для управления концентрацией носителей тока в графене. Более того, именно они обеспечивали совместимость графена со стандартной кремниевой электроникой.
Предложенное техническое решение в виде плотной металлической сетки позволяет радикально увеличить коэффициент поглощения графеном. Увеличение происходит и для устройств на прозрачных диэлектриках (например, на стекле), и для устройств на отражающих кремниевых подложках. Еще один плюс в том, что эффект не требует образцов исключительной чистоты. Усиленное поглощение сохраняется даже при высоком уровне примесей, который характерен для образцов, выращиваемых промышленными химическими методами.