Des chercheurs russes de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) et de l'Institut de physique et de technologie Valiev ont démontré l'absorption résonnante du rayonnement térahertz dans le graphène disponible dans le commerce. Il s'agit d'une étape importante vers la conception de détecteurs térahertz efficaces pour permettre une connexion Internet plus rapide et un remplacement sûr des scanners corporels aux rayons X. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Examen physique appliqué .

Optoélectronique au graphène

Depuis qu'Andre Geim et Kostya Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique 2010 pour l'étude des propriétés électroniques uniques du graphène, l'intérêt pour ce matériau n'a jamais faibli. Le graphène est vraiment bidimensionnel :il se compose d'une couche de carbone d'une épaisseur d'un atome, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles ses propriétés sont si étonnantes. Il est fin mais mécaniquement solide, imperméable même aux atomes d'hélium, et conduit extrêmement bien l'électricité et la chaleur. La grande mobilité des électrons dans le graphène en fait un matériau prometteur pour les photodétecteurs ultrarapides, y compris ceux fonctionnant dans la gamme térahertz.

rayonnement THz, également connu sous le nom d'ondes T, est tout aussi difficile à générer et à détecter. Cela a donné lieu à la notion d'un « écart térahertz, " qui fait référence à la bande de fréquence d'environ 0,1-10 THz dans le spectre électromagnétique. Il n'y a pas de dispositifs efficaces pour générer et détecter des rayonnements dans cette gamme. Néanmoins, Les ondes T sont très importantes pour l'humanité :elles ne nuisent pas au corps et pourraient donc remplacer les rayons X dans les scanners médicaux. Aussi, Les ondes T pourraient rendre le Wi-Fi beaucoup plus rapide et débloquer une bande de rayonnement cosmique mal étudiée pour la recherche astronomique.

Malgré le grand potentiel du graphène pour la photodétection, sa monocouche n'absorbe à elle seule qu'environ 2,3% du rayonnement extérieur, ce qui n'est pas suffisant pour une détection fiable. Un moyen de contourner cela est de localiser fortement le champ près du graphène, forcer une onde électromagnétique à se coupler avec des électrons de graphène et exciter des oscillations résonantes. L'onde collective résultante du champ électromagnétique et des électrons de conduction est connue sous le nom de plasmon de surface. Le phénomène correspondant de la résonance plasmon est l'absorption accrue de la lumière due à l'excitation des ondes plasmoniques de surface.

Malheureusement, ce phénomène n'est pas observé dans une nappe continue d'un conducteur éclairé par des ondes planes. La longueur d'onde du plasmon est trop courte par rapport à celle du photon, c'est pourquoi ces deux ondes peuvent difficilement être synchrones. Pour remédier à cette disparité, un réseau métallique est placé au-dessus du film de graphène. Il ressemble à un petit peigne avec des dents espacées de moins d'un micromètre.

Graphène :attentes vs réalité

Des dizaines de techniques sont disponibles pour produire du graphène. Ils diffèrent en termes de qualité du produit final et d'intensité de la main-d'œuvre. Les chercheurs vantant la grande mobilité électronique du graphène ont souvent minimisé la difficulté de fabrication de ce matériau.

Le graphène de la plus haute qualité est produit par exfoliation mécanique. Il s'agit de placer un morceau de graphite entre deux rubans adhésifs, qui arrachent ensuite des couches de plus en plus minces en plusieurs itérations. A un moment donné, fragments de graphène, c'est-à-dire graphite monocouche — émergent. Un tel graphène "fait main" a les meilleures caractéristiques pour les appareils appliqués, comme le détecteur d'ondes T résonantes à base de graphène encapsulé créé par les chercheurs du MIPT, Université pédagogique d'État de Moscou, et l'Université de Manchester. Malheureusement, les flocons de graphène fabriqués par exfoliation mécanique ne mesurent que quelques micromètres de diamètre, prendre plusieurs mois à produire, et finissent par être trop chers pour la conception de périphériques série.

Il existe une technique alternative plus simple et évolutive pour la synthèse du graphène appelée dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Il s'agit de la décomposition des gaz - normalement, un mélange de méthane, hydrogène, et de l'argon dans un four spécial. Le processus conduit à la formation d'un film de graphène sur un substrat de cuivre ou de nickel. Le graphène résultant a des caractéristiques plus médiocres et plus de défauts que celui exfolié mécaniquement. Mais CVD est actuellement la technologie la mieux adaptée pour augmenter la production d'appareils.

Les physiciens russes ont entrepris de tester si un tel graphène de qualité commerciale est assez bon pour l'excitation par résonance plasmonique THz, ce qui en ferait un matériau valable pour les détecteurs d'ondes T.

"Réellement, un film de graphène produit par CVD n'est pas homogène. Comme un polycristal, il se compose de nombreux grains fusionnés. Chacun est une région ordonnée avec un motif atomique complètement symétrique. Joints de grains, avec les défauts, rendre le travail avec un tel graphène loin d'être facile, ", a déclaré Elena Titova, co-auteur de l'étude et étudiante diplômée du MIPT.

Il a fallu plus d'un an à l'équipe pour maîtriser le travail avec le graphène CVD au Centre des installations de recherche partagées de l'Institut. Pendant ce temps, les collègues du département théorique du laboratoire étaient convaincus qu'aucune résonance plasmonique ne serait observée. La raison en est que la visibilité de la résonance est déterminée par ce que l'on appelle le facteur de qualité, c'est-à-dire combien de périodes le champ passe avant que l'électron rencontre un défaut de réseau. Les estimations théoriques prédisaient un facteur Q très faible limité par de fréquentes collisions électron-défaut dans le graphène CVD. Cela dit, la mobilité élevée des électrons dans le graphène n'est pas due à des collisions d'électrons peu fréquentes, mais en raison d'une faible masse d'électrons, ce qui permet leur accélération rapide à grande vitesse.

Théorie et expérimentation

Malgré les prédictions théoriques pessimistes, les auteurs de l'article ont décidé de continuer l'expérience. Leur détermination a été récompensée :les spectres d'absorption présentaient des pics indicatifs de la résonance plasmonique dans le graphène synthétisé par CVD.

"Le fait est que tous les défauts ne sont pas les mêmes, et les électrons entrent en collision avec différents défauts dans les mesures de courant continu et les mesures d'absorption THz, " commente le directeur de recherche, Dmitri Svintsov, qui dirige le Laboratoire MIPT des Matériaux 2D pour l'Optoélectronique. "Dans une expérience DC, un électron rencontrera inévitablement des joints de grains sur le chemin d'un contact électrique à l'autre. Mais lorsqu'il est exposé aux ondes T, il fluctuera principalement au sein d'un seul grain, loin de ses frontières. Cela signifie que les défauts altérant la conductivité CC sont en fait « sûrs » pour la détection des ondes T."

Un autre mystère avait à voir avec la fréquence d'excitation des plasmons résonnants, qui était en désaccord avec les théories existantes. Il s'est avéré être lié à la géométrie de la grille métallique d'une manière inattendue. L'équipe a découvert que lorsqu'elle est positionnée à proximité du graphène, le réseau (représenté en orange sur la figure 1) a modifié la distribution du champ plasmonique. Cela a conduit à la localisation des plasmons sous les "dents de peigne, " dont les bords ont agi comme des miroirs pour les plasmons. Les chercheurs ont formulé une théorie très simple décrivant le phénomène basée sur une analogie avec le modèle de liaison étroite de la physique du solide. La théorie reproduit bien les données expérimentales sans recourir à des paramètres d'ajustement et peut être utilisé pour optimiser les futurs détecteurs d'ondes T.