Разработан высокочувствительный графеновый детектор фотонов

Сотрудники Центра нанофизики и новых материалов Университета Мэриленда рассказали в журнале Nature Nanotechnology о разработанном ими болометре (детекторе фотонов) на базе двуслойного графена. Большинство доступных сегодня на рынке таких сенсоров, полупроводниковые, т.е. имеют полосу недоступных для электронов энергетических уровней. По этой причине, улавливаться такими детекторами могут только те фотоны, энергия которых превосходит запрещенную зону.

Графен, двумерный гексагональный кристалл углерода, в естественном виде не имеет запрещенной полосы и не является полупроводником. Это свойство, до сих пор больше считавшееся недостатком графена, позволяет ему поглощать фотоны с как угодно низкой энергией. Таким образом, графеновый болометр должен проявлять чувствительность не только к видимому свету, но также к излучению в ИК, субмиллиметровом и терагерцевом диапазонах.

Особый интерес представляет использование устройства в качестве малошумного датчика субмиллиметровых волн. Этот тип излучения особенно труден для детектирования между тем он весьма важен для определения допплеровских сдвигов в спектрах далеких молодых галактик и для изучения межзвездной материи.

Как улавливатель фотонов графен имеет еще одну привлекательную особенность. Получившие энергию электроны способны сохранять её, не преобразуя в колебания атомов материала — это свойство также обусловливает чрезвычайно низкое электрическое сопротивление графена. Созданный в Мэриленде болометр на горячих электронах функционирует, измеряя разницу в сопротивлении, возникающую из-за изменения температуры электронов, поглотивших свет. Обычно сопротивление графена практически не зависит от температуры, поэтому исследователи применили специальную методику. Под воздействием электрического поля в двухслойном графене возникает запрещенная полоса, обеспечивающая сильную температурную зависимость, но недостаточно большая для того, чтобы воспрепятствовать улавливанию низкоэнергетических инфракрасных фотонов.

В ходе испытаний было выяснено, что графеновый болометр, работающий при температуре 5 °K, сопоставим по чувствительности с другими современными болометрами, но по быстродействию превосходит их более, чем на три порядка. При более низких температурах, по прогнозам ученых, этот детектор оставит вне конкуренции все существующие технологии.

Пока новый сенсор сложно использовать на высоких частотах, кроме того, ученым предстоит улучшить эффективность поглощения фотонов (двухслойный графен улавливает только несколько процентов падающего излучения).

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365