Illustration. Photoréponse dans le graphène. Crédit :Lion_on_helium, MIPT
Des physiciens du MIPT et leurs collègues britanniques et russes ont révélé les mécanismes conduisant au photocourant dans le graphène sous rayonnement térahertz. L'article publié dans Lettres de physique appliquée clôt un débat de longue haleine sur les origines du courant continu dans le graphène éclairé par un rayonnement haute fréquence, et ouvre également la voie au développement de détecteurs térahertz à haute sensibilité. De tels détecteurs ont des applications dans le diagnostic médical, communications sans fil et systèmes de sécurité.
En 2005, Les anciens élèves du MIPT Andre Geim et Konstantin Novoselov ont étudié expérimentalement le comportement des électrons dans le graphène, un réseau en nid d'abeilles plat d'atomes de carbone. Ils ont découvert que les électrons du graphène répondent au rayonnement électromagnétique avec une énergie quantique, alors que les semi-conducteurs communs ont un seuil d'énergie en dessous duquel le matériau ne répond pas du tout à la lumière. Cependant, la direction du mouvement des électrons dans le graphène exposé au rayonnement est longtemps restée un sujet de controverse, car il y a beaucoup de facteurs qui le tirent dans des directions différentes. La controverse était particulièrement vive dans le cas du photocourant causé par le rayonnement térahertz.
Le rayonnement térahertz a un ensemble unique de propriétés. Par exemple, il traverse facilement de nombreux diélectriques sans les ioniser, ce qui est particulièrement intéressant pour les systèmes de diagnostic médical ou de sécurité. Une caméra térahertz peut détecter des armes dissimulées sous les vêtements d'une personne, et un scanner médical peut révéler les maladies de la peau à un stade précoce en détectant les raies spectrales ("empreintes digitales") de biomolécules caractéristiques dans la gamme térahertz. Finalement, augmenter la fréquence porteuse des appareils Wi-Fi de plusieurs à plusieurs centaines de gigahertz (dans la plage inférieure au térahertz) augmentera proportionnellement la bande passante. Mais toutes ces applications ont besoin d'un détecteur térahertz à faible bruit qui est facilement fabriqué.
Figure 1. Schéma de câblage d'un détecteur térahertz à base de graphène :le rayonnement térahertz frappe l'antenne connectée aux bornes gauche (source) et supérieure (grille) d'un transistor. Cela génère un photocourant continu (ou une tension constante, selon la configuration de mesure) entre les bornes gauche et droite, qui est une mesure de l'intensité du rayonnement. Crédit :Lion_on_helium, MIPT
Un détecteur térahertz conçu par des chercheurs du MIPT, MSPU et l'Université de Manchester est une feuille de graphène (de couleur verte dans les figures un et deux) prise en sandwich entre des couches diélectriques de nitrure de bore et couplée électriquement à une antenne térahertz, une spirale métallique d'environ un millimètre. Lorsque le rayonnement frappe l'antenne, il fait basculer des électrons sur un côté de la feuille de graphène, tandis que le courant continu résultant est mesuré de l'autre côté. C'est le « conditionnement » du graphène dans du nitrure de bore qui permet des caractéristiques électriques record, donnant au détecteur une sensibilité qui est un cran au-dessus des conceptions précédentes. Cependant, le principal résultat de la recherche n'est pas un instrument plus performant; c'est la compréhension des phénomènes physiques responsables du photocourant.
Il existe trois effets principaux conduisant à un flux de courant électrique dans le graphène exposé à un rayonnement térahertz. Le premier, l'effet photothermoélectrique, est due à la différence de température entre la borne d'antenne et la borne de détection. Cela envoie des électrons de la borne chaude à la froide, comme l'air qui monte d'un radiateur chaud jusqu'au plafond froid. Le deuxième effet est le redressement du courant aux bornes. Il s'avère que les bords du graphène ne laissent passer que le signal haute fréquence d'une certaine polarité. Le troisième effet, et le plus intéressant, s'appelle la rectification des ondes plasma. Nous pouvons considérer le terminal d'antenne comme remuant des "ondes dans la mer électronique" de la bande de graphène, tandis que le terminal de détection enregistre le courant moyen associé à ces ondes.
"Les tentatives précédentes pour expliquer le photocourant dans de tels détecteurs n'utilisaient qu'un de ces mécanismes et excluaient tous les autres, " dit Dmitry Svintsov du MIPT. " En réalité, tous les trois sont en jeu, et notre étude a trouvé quel effet domine dans quelles conditions. Les effets thermoélectriques dominent à basse température, tandis que la rectification plasmonique prévaut à haute température et dans les instruments à canaux plus longs. Et l'essentiel est que nous ayons trouvé comment faire un détecteur dans lequel les différents mécanismes de photoréponse ne s'annuleront pas, mais plutôt se renforcer mutuellement."
Figure 2. La zone de fonctionnement du détecteur térahertz :la bande verte est du graphène, des pistes dorées mènent à l'antenne et à un ampèremètre de détection. La bande blanche mesure 6 microns de long. Crédit :Lion_on_helium, MIPT
Ces expériences contribueront à la meilleure conception des détecteurs térahertz et au développement de dispositifs de détection à distance de substances dangereuses, diagnostic médical sûr, et les communications sans fil à haute vitesse.
