Ilustração. Fotoresposta em grafeno. Crédito:Lion_on_helium, MIPT
Físicos do MIPT e seus colegas britânicos e russos revelaram os mecanismos que levam à fotocorrente no grafeno sob radiação terahertz. O artigo publicado em Cartas de Física Aplicada encerra um longo debate sobre as origens da corrente contínua no grafeno iluminado por radiação de alta frequência, e também prepara o terreno para o desenvolvimento de detectores terahertz de alta sensibilidade. Esses detectores têm aplicações em diagnósticos médicos, comunicações sem fio e sistemas de segurança.
Em 2005, Os ex-alunos do MIPT Andre Geim e Konstantin Novoselov estudaram experimentalmente o comportamento dos elétrons no grafeno, uma rede plana de favo de mel de átomos de carbono. Eles descobriram que os elétrons no grafeno respondem à radiação eletromagnética com uma energia quântica, enquanto os semicondutores comuns têm um limite de energia abaixo do qual o material não responde à luz de forma alguma. Contudo, a direção do movimento do elétron no grafeno exposto à radiação há muito permanece um ponto de controvérsia, pois há uma abundância de fatores que o puxam em diferentes direções. A controvérsia foi especialmente gritante no caso da fotocorrente causada pela radiação terahertz.
A radiação Terahertz tem um conjunto único de propriedades. Por exemplo, ele passa facilmente por muitos dielétricos sem ionizá-los - isso é de valor particular para diagnósticos médicos ou sistemas de segurança. Uma câmera terahertz pode detectar armas escondidas sob as roupas de uma pessoa, e um scanner médico pode revelar doenças de pele em estágios iniciais, detectando as linhas espectrais ("impressões digitais") de biomoléculas características na faixa de terahertz. Finalmente, aumentar a frequência da portadora de dispositivos Wi-Fi de vários para centenas de gigahertz (na faixa subterahertz) aumentará proporcionalmente a largura de banda. Mas todos esses aplicativos precisam de um detector terahertz de baixo ruído de fácil fabricação.
Figura 1. Diagrama de fiação de um detector terahertz baseado em grafeno:a radiação terahertz atinge a antena conectada aos terminais esquerdo (fonte) e superior (porta) de um transistor. Isso gera fotocorrente direta (ou uma tensão constante, dependendo da configuração de medição) entre os terminais esquerdo e direito, que é uma medida da intensidade da radiação. Crédito:Lion_on_helium, MIPT
Um detector de terahertz projetado por pesquisadores do MIPT, MSPU e a Universidade de Manchester é uma folha de grafeno (colorida de verde nas figuras um e dois) imprensada entre camadas dielétricas de nitreto de boro e eletricamente acoplada a uma antena terahertz - uma espiral de metal com cerca de um milímetro de tamanho. À medida que a radiação incide na antena, ele balança elétrons em um lado da folha de grafeno, enquanto a corrente contínua resultante é medida no outro lado. É o "empacotamento" do grafeno em nitreto de boro que permite características elétricas recordes, dando ao detector uma sensibilidade que é um corte acima dos designs anteriores. Contudo, o principal resultado da pesquisa não é um instrumento de melhor desempenho; é o insight dos fenômenos físicos responsáveis pela fotocorrente.
Existem três efeitos principais que levam ao fluxo de corrente elétrica no grafeno exposto à radiação terahertz. O primeiro, o efeito fototermoelétrico, é devido à diferença de temperatura entre o terminal da antena e o terminal de detecção. Isso envia elétrons do terminal quente para o frio, como o ar subindo de um radiador quente até o teto frio. O segundo efeito é a retificação da corrente nos terminais. Acontece que as bordas do grafeno deixam passar apenas o sinal de alta frequência de uma determinada polaridade. O terceiro e mais interessante efeito é chamado de retificação de ondas de plasma. Podemos pensar no terminal da antena como agitando "ondas no mar eletrônico" da faixa de grafeno, enquanto o terminal de detecção registra a corrente média associada a essas ondas.
"As tentativas anteriores de explicar a fotocorrente em tais detectores usaram apenas um desses mecanismos e excluíram todos os outros, "diz Dmitry Svintsov do MIPT." Na realidade, todos os três estão em jogo, e nosso estudo descobriu qual efeito domina em quais condições. Os efeitos termoelétricos dominam em baixas temperaturas, enquanto a retificação plasmônica prevalece em altas temperaturas e em instrumentos de canal mais longo. E o principal é que descobrimos como fazer um detector no qual os diferentes mecanismos de fotorresposta não se cancelem, mas sim reforçar uns aos outros. "
Figura 2. A área de operação do detector terahertz:a faixa verde é grafeno, trilhas de ouro levam à antena e a um amperímetro de detecção. A faixa branca tem 6 mícrons de comprimento. Crédito:Lion_on_helium, MIPT
Esses experimentos contribuirão para o melhor design de detectores de terahertz e para o desenvolvimento de dispositivos de detecção remota de substâncias perigosas, diagnósticos médicos seguros, e comunicações sem fio de alta velocidade.
