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Detector de grafeno revela polarização de luz THz usando interferência de ondas de plasma

Escrito por virvida

 

Interferômetro Terahertz Sensível à Fase

Renderização artística de um interferômetro terahertz sensível à fase. Crédito: Daria Sokol / Assessoria de Imprensa MIPT

Os físicos criaram um detector de banda larga de radiação terahertz com base em grafeno. O dispositivo tem potencial para aplicações em sistemas de comunicação e transmissão de informações de última geração, segurança e equipamentos médicos. O estudo saiu em Nano Letras ACS.

O novo detector depende da interferência de plasma ondas. A interferência como tal é a base de muitas aplicações tecnológicas e fenômenos cotidianos. Ele determina o som dos instrumentos musicais e causa as cores do arco-íris em bolhas de sabão, junto com muitos outros efeitos. A interferência das ondas eletromagnéticas é aproveitada por vários dispositivos espectrais usados ​​para determinar a composição química, física e outras propriedades de objetos – incluindo aqueles muito remotos, como estrelas e galáxias.

As ondas de plasma em metais e semicondutores recentemente atraíram muita atenção de pesquisadores e engenheiros. Como as ondas acústicas mais familiares, as que ocorrem nos plasmas também são essencialmente ondas de densidade, mas envolvem portadores de carga: elétrons e lacunas. Sua variação de densidade local dá origem a um campo elétrico, que empurra outros portadores de carga à medida que se propaga através do material. Isso é semelhante a como o gradiente de pressão de uma onda sonora impele as partículas de gás ou líquido em uma região em constante expansão. No entanto, as ondas de plasma morrem rapidamente em condutores convencionais.

Dito isso, os condutores bidimensionais permitem que as ondas de plasma se propaguem por distâncias relativamente grandes sem atenuação. Assim, torna-se possível observar sua interferência, rendendo muitas informações sobre as propriedades eletrônicas do material em questão. A plasmonics de materiais 2D emergiu como um campo altamente dinâmico da física da matéria condensada.

Nos últimos 10 anos, os cientistas percorreram um longo caminho detectando a radiação THz com dispositivos baseados em grafeno. Os pesquisadores exploraram os mecanismos de interação da onda T com o grafeno e criaram protótipos de detectores, cujas características são semelhantes às de dispositivos semelhantes baseados em outros materiais.

No entanto, os estudos até agora não analisaram os detalhes da interação do detector com raios T polarizados distintamente. Dito isso, dispositivos sensíveis à polarização das ondas seriam úteis em muitas aplicações. O estudo relatado nesta história demonstrou experimentalmente como a resposta do detector depende da polarização da radiação incidente. Seus autores também explicaram por que esse é o caso.

O co-autor do estudo Yakov Matyushkin do Laboratório de Materiais Nanocarbono MIPT comentou: “O detector consiste em uma pastilha de silício de 4 por 4 milímetros de diâmetro e um minúsculo pedaço de grafeno de 2 por 5 milésimos de milímetro de tamanho. O grafeno é conectado a duas placas de contato planas de ouro, cujo formato de gravata borboleta torna o detector sensível à polarização e à fase da radiação incidente. Além disso, a camada de grafeno também encontra outro contato de ouro na parte superior, com uma camada não condutora de óxido de alumínio intercalada entre eles. ”

Na microeletrônica, essa estrutura é conhecida como transistor de campo (fig. 1), com os dois contatos laterais geralmente chamados de fonte e dreno. O contato superior é chamado de portão.

Detector de radiação de grafeno Terahertz

Figura 1. A inserção (a) mostra uma vista superior do dispositivo, com a região sensível ampliada em (b). Os rótulos S, D e TG denotam a fonte, o dreno e a porta superior. Uma seção lateral do detector é mostrada em (c). Existem 1.000 nanômetros (nm) em um micrômetro (μm). Crédito: Daria Sokol / Assessoria de Imprensa MIPT

A radiação Terahertz é uma faixa estreita do espectro eletromagnético entre as microondas e a luz infravermelha distante. Do ponto de vista das aplicações, uma característica importante das ondas T é que elas passam pelo tecido vivo e sofrem absorção parcial, mas não causam ionização e, portanto, não prejudicam o corpo. Isso diferencia a radiação THz dos raios X, por exemplo.

Consequentemente, as aplicações tradicionalmente consideradas para raios T são diagnósticos médicos e triagem de segurança. Os detectores THz também são usados ​​na astronomia. Outra aplicação emergente é a transmissão de dados em frequências THz. Isso significa que o novo detector pode ser útil para estabelecer os padrões de comunicação de próxima geração 5G e 6G.

“A radiação Terahertz é direcionada a uma amostra experimental, ortogonalmente à sua superfície. Isso gera fotovoltagem na amostra, que pode ser captada por dispositivos de medição externos por meio dos contatos de ouro do detector ”, comentou o co-autor do estudo Georgy Fedorov, chefe adjunto do Laboratório de Materiais de Nanocarbono do MIPT. “O que é crucial aqui é qual é a natureza do sinal detectado. Na verdade, pode ser diferente e varia dependendo de uma série de parâmetros externos e internos: geometria da amostra, frequência, polarização de radiação e potência, temperatura, etc. ”

Notavelmente, o novo detector depende do tipo de grafeno já produzido industrialmente. O grafeno vem em dois tipos: O material pode ser esfoliado mecanicamente ou sintetizado por deposição química de vapor. O primeiro tipo tem uma qualidade superior, menos defeitos e impurezas e detém o recorde de mobilidade do portador de carga, que é uma propriedade crucial para semicondutores. No entanto, é o grafeno CVD que a indústria já pode fabricar em escala, tornando-o o material de escolha para dispositivos com uma ambição de produção em massa.

Outro co-autor do estudo, Maxim Rybin do MIPT e Prokhorov General Physics Institute da Academia Russa de Ciências é o CEO da fabricante de grafeno Rusgraphene, e ele disse o seguinte sobre a tecnologia: “O fato de ser grafeno CVD que observamos interferência de ondas de plasma em, significa que esses detectores THz baseados em grafeno são adequados para produção industrial. Até onde sabemos, esta é a primeira observação de interferência de ondas de plasma no grafeno CVD até agora, então nossa pesquisa expandiu as aplicações industriais potenciais do material. ”

Esquema de propagação de onda de plasma

Figura 2. Uma representação esquemática da propagação da onda de plasma no canal do transistor. Crédito: Yakov Matyushkin et al./ACS Nano Letters

A equipe mostrou que a natureza da fotorresposta do novo detector tem a ver com a interferência da onda de plasma no canal do transistor. A propagação das ondas começa nas duas extremidades opostas do canal (fig. 2), e a geometria especial da antena torna o dispositivo sensível à polarização e à fase da radiação detectada. Esses recursos significam que o detector pode ser útil na construção de sistemas de comunicação e transmissão de informações que operam em frequências THz e sub-THz.

Referência: “Helicity-Sensitive Plasmonic Terahertz Interferometer” por Yakov Matyushkin, Sergey Danilov, Maxim Moskotin, Vsevolod Belosevich, Natalia Kaurova, Maxim Rybin, Elena D. Obraztsova, Georgy Fedorov, Ilya Gorbenko, Valentin Kachorovskii, 9 de setembro de 2020 Kachorovskii e Ganiche Nano Letras ACS .
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c02692

O estudo relatado nesta história foi coautor de pesquisadores do Laboratório de Materiais de Nanocarbono MIPT e seus colegas da Universidade Pedagógica do Estado de Moscou, Instituto Ioffe da Academia Russa de Ciências e da Universidade de Regensburg, Alemanha. Esta pesquisa foi apoiada pela Fundação Russa para Pesquisa Básica e pelo Ministério Russo de Ciência e Ensino Superior.

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