Команда учёных из Кембриджского и Манчестерского университетов, включающая нобелевских лауреатов 2010 года в области физики Константина Новосёлова 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, учёные добились колоссального увеличения эффективности светопоглощения графенового фотодетектора.
С ультраскоростью
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"id": "3426604",
"incutNum": 1,
"repl": "<1>:{{incut1()}}",
"uid": "_uid_3750709_i_1"
}
На первых порах основное внимание учёные 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.
Персональный резонанс
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 определённых условиях ведёт себя почти как абсолютно чёрное тело, поглощая до 99% падающего на неё 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 Новосёлов.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"id": "3585317",
"incutNum": 4,
"repl": "<4>:{{incut4()}}",
"uid": "_uid_3750709_i_4"
}
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».
Сила «пальчиков»
Чтобы добиться эффекта плазмонного усиления, исследователи нанесли на поверхность графена вблизи микроконтактов наноструктуры из титана и золота с помощью электроннолучевой литографии.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"id": "3436487",
"incutNum": 3,
"repl": "<3>:{{incut3()}}",
"uid": "_uid_3750709_i_3"
}
Это именно та структура, которая была описана в статье Григоренко и его коллег про плазмонное «чёрное 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, её резонансные колебания генерируют электромагнитное поле, которое и «чувствует» графен, реагируя на него образованием дополнительных свободных носителей заряда.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"id": "3433935",
"incutNum": 2,
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_3750709_i_2"
}
Прикладное, но не лишнее
Впрочем, в первую очередь именно возможность применения вызывает столь бурный интерес к графену, и сами учёные отмечают это. «Многие компании, лидеры на рынке электроники, рассматривают графен как основу следующего поколения электронных устройств.
Эта работа, безусловно, ещё 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 учёные.
