Vue d'artiste d'un interféromètre térahertz sensible à la phase. Crédit :Daria Sokol/MIPT
Des physiciens ont créé un détecteur à large bande de rayonnement térahertz basé sur le graphène. Le dispositif a un potentiel pour des applications dans les systèmes de communication et de transmission d'informations de nouvelle génération, équipements de sécurité et médicaux. L'étude est sortie en ACS Nano Lettres .
Le nouveau détecteur repose sur l'interférence des ondes plasma. Les interférences en tant que telles sous-tendent de nombreuses applications technologiques et phénomènes quotidiens. Il détermine le son des instruments de musique et provoque les couleurs de l'arc-en-ciel dans les bulles de savon, ainsi que de nombreux autres effets. L'interférence des ondes électromagnétiques est exploitée par divers dispositifs spectraux utilisés pour déterminer la composition chimique, propriétés physiques et autres des objets, y compris celles très éloignées, comme les étoiles et les galaxies.
Les ondes plasma dans les métaux et les semi-conducteurs ont récemment attiré beaucoup d'attention de la part des chercheurs et des ingénieurs. Comme les ondes acoustiques plus familières, celles qui se produisent dans les plasmas sont essentiellement des ondes de densité, trop, mais ils font intervenir des porteurs de charges :électrons et trous. Leur variation locale de densité donne naissance à un champ électrique, qui pousse d'autres porteurs de charge au fur et à mesure qu'il se propage à travers le matériau. Ceci est similaire à la façon dont le gradient de pression d'une onde sonore propulse le gaz ou les particules liquides dans une région en constante expansion. Cependant, les ondes plasma s'éteignent rapidement dans les conducteurs conventionnels.
Cela dit, les conducteurs bidimensionnels permettent aux ondes plasma de se propager sur des distances relativement grandes sans atténuation. Il devient donc possible d'observer leur interférence, donnant beaucoup d'informations sur les propriétés électroniques du matériau en question. La plasmonique des matériaux 2D est devenue un domaine hautement dynamique de la physique de la matière condensée.
Au cours des 10 dernières années, les scientifiques ont parcouru un long chemin en détectant le rayonnement THz avec des appareils à base de graphène. Les chercheurs ont exploré les mécanismes de l'interaction des ondes T avec le graphène et créé des prototypes de détecteurs, dont les caractéristiques sont comparables à celles d'appareils similaires basés sur d'autres matériaux.
Figure 1. L'encart (a) montre une vue de dessus de l'appareil, avec la région sensible agrandie en (b). Les étiquettes S, RÉ, et TG désignent la source, égoutter, et porte du haut. Une section latérale du détecteur est illustrée en (c). Il y en a 1, 000 nanomètres (nm) dans un micromètre (μm). Crédit :Daria Sokol/MIPT
Cependant, jusqu'à présent, les études n'ont pas examiné les détails de l'interaction du détecteur avec des rayons T nettement polarisés. Cela dit, des dispositifs sensibles à la polarisation des ondes seraient utiles dans de nombreuses applications. L'étude rapportée dans cette histoire a démontré expérimentalement comment la réponse du détecteur dépend de la polarisation du rayonnement incident. Ses auteurs ont également expliqué pourquoi c'est le cas.
Le co-auteur de l'étude, Yakov Matyushkin, du MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials, a commenté :« Le détecteur se compose d'une plaquette de silicium de 4 millimètres sur 4, et un petit morceau de graphène 2 par 5 millièmes de millimètre. Le graphène est connecté à deux plots de contact plats en or, dont la forme en nœud papillon rend le détecteur sensible à la polarisation et à la phase du rayonnement incident. Par ailleurs, la couche de graphène rencontre également un autre contact en or au sommet, avec une couche non conductrice d'oxyde d'aluminium intercalée entre eux."
En microélectronique, cette structure est connue sous le nom de transistor de champ, avec les deux contacts latéraux généralement appelés source et drain. Le contact supérieur s'appelle une porte.
Le rayonnement térahertz est une bande étroite du spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière infrarouge lointaine. Du point de vue des applications, une caractéristique importante des ondes T est qu'elles traversent les tissus vivants et subissent une absorption partielle mais ne provoquent aucune ionisation et ne nuisent donc pas au corps. Cela distingue le rayonnement THz des rayons X, par exemple.
Par conséquent, les applications traditionnellement envisagées pour les rayons T sont le diagnostic médical et le contrôle de sécurité. Les détecteurs THz sont également utilisés en astronomie. Une autre application émergente est la transmission de données aux fréquences THz. Cela signifie que le nouveau détecteur pourrait être utile pour établir les normes de communication 5G et 6G de nouvelle génération.
Figure 2. Une représentation schématique de la propagation des ondes plasma dans le canal du transistor. Crédit :Yakov Matyushkin et al./ACS Nano Letters
"Le rayonnement térahertz est dirigé vers un échantillon expérimental, orthogonalement à sa surface. Cela génère du photovoltaïque dans l'échantillon, qui peut être capté par des appareils de mesure externes via les contacts en or du détecteur, " a commenté le co-auteur de l'étude Georgy Fedorov, directeur adjoint du laboratoire MIPT des matériaux nanocarbonés. "Ce qui est crucial ici, c'est la nature du signal détecté. Cela peut en fait être différent, et elle varie en fonction d'une multitude de paramètres externes et internes :géométrie de l'échantillon, la fréquence, polarisation et puissance du rayonnement, Température, etc."
Notamment, le nouveau détecteur repose sur le type de graphène déjà produit industriellement. Il existe deux types de graphène :le matériau peut être soit exfolié mécaniquement, soit synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur. Le premier type a une qualité supérieure, moins de défauts et d'impuretés, et détient le record de mobilité des porteurs de charges, qui est une propriété cruciale pour les semi-conducteurs. Cependant, c'est du graphène CVD que l'industrie peut déjà fabriquer de manière évolutive, ce qui en fait le matériau de choix pour les appareils ayant une ambition de production en série.
Un autre co-auteur de l'étude, Maxim Rybin du MIPT et de l'Institut de physique générale Prokhorov de l'Académie des sciences de Russie est le PDG du fabricant de graphène Rusgraphene, et il avait ceci à dire à propos de la technologie :"Le fait que c'était du graphène CVD dans lequel nous avons observé des interférences avec les ondes plasma, signifie que ces détecteurs THz à base de graphène sont adaptés à la production industrielle. Pour autant que nous sachions, il s'agit de la première observation d'interférence des ondes plasma dans le graphène CVD à ce jour, nos recherches ont donc élargi les applications industrielles potentielles du matériau."
L'équipe a montré que la nature de la photoréponse du nouveau détecteur est liée à l'interférence des ondes plasma dans le canal du transistor. La propagation des ondes commence aux deux extrémités opposées du canal, et la géométrie particulière de l'antenne rend le dispositif sensible à la polarisation et à la phase du rayonnement détecté. Ces caractéristiques signifient que le détecteur pourrait s'avérer utile dans la construction de systèmes de communication et de transmission d'informations qui fonctionnent à des fréquences THz et sous-THz.
L'étude rapportée dans cet article a été co-écrite par des chercheurs du Laboratoire des matériaux nanocarbonés MIPT et leurs collègues de l'Université pédagogique d'État de Moscou, Institut Ioffe de l'Académie des sciences de Russie, et l'Université de Ratisbonne, Allemagne. Cette recherche a été soutenue par la Fondation russe pour la recherche fondamentale et le ministère russe des Sciences et de l'Enseignement supérieur.
