Найдена золотая середина между графеном и классическими полупроводниками

Ученые МФТИ создали детектор терагерцового излучения на основе двухслойного графена, обладающий рекордной чувствительностью при криогенных температурах. Представленное устройство уже конкурентоспособно по сравнению с коммерческими болометрами на полупроводниках и сверхпроводниках.

Ключом к успеху явилось использование двухслойного графена с небольшой шириной запрещенной зоны — этот материал оказался «золотой серединой» между однослойным графеном и классическими объемными полупроводниками. Работа опубликована в журнале ACS Nano .

Группа ученых из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ под руководством Дмитрия Свинцова разработала субтерагерцовый фотодетектор с рекордной чувствительностью при криогенных температурах. Работа показала, что открытие запрещенной зоны в двухслойном графене на порядок улучшает способность материала к «превращению» излучения в постоянный электрический ток. Возможно, данное исследование позволит установить универсальные требования к материалам для эффективного детектирования в терагерцовом диапазоне, так как это открытие можно применить не только к двухслойному графену, но и к другим двумерным материалам. Фундаментальные пределы чувствительности подобных материалов еще предстоит выяснить, но уже сейчас можно сделать вывод об эффективности материалов со средней запрещенной зоной (~0.1-0.2 эВ) по сравнению с бесщелевым однослойным графеном, а также классическими полупроводниками с большой запрещенной зоной (порядка 1 эВ).

Терагерцовое излучение — это невидимое для глаз электромагнитное излучение с частотой примерно от 0,1 до 3 ТГц (1ТГц = 1012 Гц), что соответствует длинам волн от 3 мм до 100 мкм. Располагаясь между миллиметровым и микроволновым диапазонами, ТГц-излучение является своеобразной разграничительной чертой между двумя подходами к взаимодействию с излучением: электроникой (радиодиапазон — бо́льшая длина волны, меньшая частота, меньшая энергия) и фотоникой (инфракрасный и видимый диапазон, меньшая длина волны, бо́льшая частота, бо́льшая энергия излучения), которые при приближении к терагерцовому диапазону теряют свою эффективность. Терагерцовый диапазон может быть использован для беспроводных широкополосных высокоскоростных систем связи, для медицинской визуализации, для безопасности, в спектроскопии, в астрофизических исследованиях, в измерительной технике и во многом другом. Ожидается, что следующая технологическая революция будет тесно связана с разработками в области терагерцовых технологий. Неудивительно, что в этой области исследований работает большое количество научных групп.

Графен давно вступил в «гонку за терагерцы» в качестве активного элемента для терагерцового детектирования и показывает хорошие результаты. Двухслойный графен, в отличие от бесщелевого однослойного, обладает уникальным свойством переменной запрещенной зоны в зависимости от величины поперечного электрического поля. При отсутствии внешнего поля двухслойный графен является бесщелевым полуметаллом (как и однослойный при любых полях), однако приложение поперечных электрических полей с двух затворов — сверху и снизу относительно листа графена — позволяет открывать запрещенную зону и менять концентрацию носителей в энергетических зонах, переводя графен в полупроводниковое состояние.  

Группа ученых из МФТИ изначально ставила перед собой целью изучение туннельного терагерцового фотоотклика в двухслойном графене с открытой запрещенной зоной. Для этого коллектив лаборатории спроектировал и изготовил транзисторные устройства на основе двухслойного графена с несколькими затворами.  

Однако, изучая фотоотклик в таких графеновых транзисторах, ученые наткнулись на другой необычный эффект, намного более важный для практических задач по проектированию терагерцовых фотодетекторов, — улучшение всех характеристик фотодетектора в несколько раз с открытием запрещенной зоны в графене.

В литературе показаны примеры открытия запрещенной зоны в двухслойном графене вплоть до 200 мэВ. Авторы работы открыли запрещенную зону на порядок меньше, около 20 мэВ, и получили увеличение фоточувствительности минимум в три раза по сравнению с бесщелевым состоянием графена. Следует ожидать, что при еще бо́льшем открытии запрещенной зоны характеристики фотодетектора улучшатся минимум на порядок, хотя представленные в данной работе характеристики уже бьют сегодняшние рекорды по чувствительности и шумовым характеристикам субтерагерцовых криогенных детекторов: вольтаическая фоточувствительность RV = 50 кВ/Ватт, токовая фоточувствительность RI = 20 А/Ватт, эквивалентная мощность шума NEP = 40 фВ/Гц^(1/2). Следует отметить, что представленные учеными фотодетекторы абсолютно конкурентоспособны по сравнению с коммерческими болометрами на полупроводниках и сверхпроводниках.

Удивительно, но с открытием запрещенной зоны увеличивается не только чувствительность детектора по фотонапряжению. Повышается также и токовая чувствительность, что свидетельствует об улучшении внутренних выпрямляющих свойств материала с открытием запрещенной зоны. Кроме того, с открытием запрещенной зоны также уменьшаются шумы фотодетектора.

«Нам кажется, что мы откопали ключ к эффективному терагерцовому фотодетектированию, так как вывод о влиянии запрещенной зоны на характеристики фотодетектора можно обобщить и на другие материалы. Слишком большая запрещенная зона осложняет способность собирать фотосигнал в электрической цепи, так как неизбежно выливается в большое контактное сопротивление. При слишком маленькой запрещенной зоне или ее отсутствии материал не так эффективно детектирует ввиду недостаточно сильной нелинейности в приборе. Как на горке с маленьким перепадом высот, предмет будет катиться очень медленно, а на слишком крутой — выходить из-под контроля. Получается, что наиболее эффективно искать золотую середину и использовать материалы с умеренной запрещенной зоной», — говорит Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.

Несмотря на все сложности, работа по «укрощению» ТГц-излучения, несомненно, стоит всех приложенных усилий, учитывая огромную востребованность по применению терагерцев. Поэтому неудивительно, что в последние десятилетия тема терагерцев стала особо актуальной в научном сообществе.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-79-20225) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № ФСМГ-2021-0005).