Андрей Гейм, Константин Новосёлов и их коллеги совершили новый прорыв в исследованиях графена, на этот раз в области фотоники и оптоэлектроники. Дополнив графеновый фотодетектор плазмонной наноструктурой, они увеличили его эффективность в десятки раз, сделав применение этой технологии в высокоскоростных оптических коммуникационных системах вопросом ближайшего будущего.

Команда учёных из Кембриджского и Манчестерского университетов, включающая нобелевских лауреатов 2010 года в области физики Константина Новосёлова и Андрея Гейма, опубликовала первые результаты своей совместной работы в журнале Nature Communications.

Исследователи предложили принципиально новый способ улучшения фотоэлектрических свойств графена. Соединив этот уникальный материал с плазмонной наноструктурой, учёные добились колоссального увеличения эффективности светопоглощения графенового фотодетектора.

Графен – самый тонкий в мире материал, представляющий собой двумерную решётку, составленную из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. С момента открытия (в 2004 году) графена Новосёловым и Геймом, отмеченного недавно Нобелевским комитетом, огромное количество научных групп по всему миру сосредоточили свои силы на разработке новых способов получения этого материала, исследовании химических и физических свойств и создании новых наноустройств на его основе.

На первых порах основное внимание учёные уделяли фундаментальным исследованиям уникальных физических свойств и явлений, наблюдаемых в графене, а также возможностям их применения в электронных наноустройствах. Однако многие считали и продолжают считать, что большое будущее ожидает графен в оптоэлектронике и фотонике.

В частности, группа физиков из исследовательского центра Томаса Джона Уотсона компании IBM опубликовала в 2009 году в Nature Nanotechnology, а затем в 2010 году в Nature Photonics работы, в которых описан ультрабыстрый графеновый фотодетектор.

Если на поверхность графена нанести металлические контакты, а затем облучить его светом, можно получить электрический ток.

Это несложное устройство представляет собой простейшую «солнечную батарейку», или фотодетектор, который в десятки, а потенциально и в сотни раз превосходит в быстродействии (то есть времени отклика) свои традиционные полупроводниковые аналоги. Это связано с уникально высокой подвижностью и большой скоростью носителей заряда в графене. Основным препятствием на пути применения этой технологии в реальных приборах до сегодняшнего дня оставалась катастрофически низкая эффективность подобных фотоэлементов. Графен абсорбирует немногим больше 2% падающего на него света, тогда как основная часть электромагнитных волн проникает сквозь графен, не внося никакого вклада в генерацию электрического тока.

Персональный резонанс

Очевидно, что для развития направления графеновых фотодетекторов нужен был какой-то внешний толчок, происходящий из смежной области материаловедения. И такой областью стала плазмоника.

Эффект плазмонного резонанса (возбуждение внешней электромагнитной волной плазмона – квазичастицы, отвечающей за колебания свободных электронов в проводнике – «Газета.Ru») – используется для усиления электромагнитного поля на поверхности и увеличения светопоглощения материалов.

К примеру, в 2008 году в журнале Physical Review B была описана плазмонная наноструктура, которая при определённых условиях ведёт себя почти как абсолютно чёрное тело, поглощая до 99% падающего на неё света.

Одним из авторов этой статьи стал доктор Александр Григоренко, работающий на факультете астрономии и физики Манчестерского университета, то есть там же, где и один из первооткрывателей графена Константин Новосёлов.

Неудивительно, что в один прекрасный момент коллеги решили объединить свои знания, опыт и идеи.

«Мы работаем вместе с Сашей уже несколько лет. Наши офисы и лаборатории расположены на одном этаже. Мы даже вместе играем в футбол. Так что я был в курсе, что сейчас происходит в плазмонике, а он знал о «горячих темах» в области графена, – рассказал «Газете.Ru» Константин Новосёлов. – Плазмонное усиление не новая идея: его уже применяли для других материалов. Но по ряду причин с графеном оно работает значительно лучше».

Александр Григоренко схожим образом прокомментировал возникновение идеи, легшей в основу их совместной работы:

«Графен представляется естественным спутником плазмоники. Мы ожидали, что плазмонная наноструктура сможет повысить эффективность устройств на базе графена, но оказалось приятным сюрпризом, что возможно добиться настолько резких улучшений».

Сила «пальчиков»

Чтобы добиться эффекта плазмонного усиления, исследователи нанесли на поверхность графена вблизи микроконтактов наноструктуры из титана и золота с помощью электроннолучевой литографии.

При облучении лазерным пучком в область локализации плазмонной наноструктуры в ячейке регистрировали фототок, значительно превышающий аналогичные показатели для графена, не подвергнутого поверхностной модификации. Величина эффекта зависела от длины волны возбуждающего света. Этот факт доказывает, что наблюдаемый эффект имеет плазмонное происхождение. К примеру, самое сильное увеличение, более чем в 20 раз, наблюдалось для длины волны 514 нм на «пальчиковой» наноструктуре, состоящей из металлических полосок шириной 110 нанометров.

Это именно та структура, которая была описана в статье Григоренко и его коллег про плазмонное «чёрное тело», и именно та длина волны видимого света, которая вызывает в данном случае плазмонный резонанс.

Если в стандартном графеновом фотоэлементе сам свет провоцирует образование в графене свободных носителей заряда, которые и создают фототок, то в модифицированной с помощью плазмонной наноструктуры ячейке механизм несколько сложнее. Свет возбужает плазму – электронный газ в металлических наночастицах, её резонансные колебания генерируют электромагнитное поле, которое и «чувствует» графен, реагируя на него образованием дополнительных свободных носителей заряда.

«Мы попробовали несколько наноструктур, – рассказал Константин Новосёлов. – В принципе мы ожидали, что «пальчики» будут наиболее эффективными. Для этого есть много причин, как формирование электронно-дырочного перехода (он формируется на границе металл–графен и вносит существенный вклад в фототок – «Газета.Ru»), так и плазмонное усиление». Всё же мы попробовали несколько других структур. Некоторые из них показали довольно интересные результаты. Возможно, с точки зрения применения – нет, но физика там очень захватывающая. Так что мы продолжаем работать над этим».

Константин пообещал, что в скором времени группа опубликует и другие результаты, которые он считает гораздо более интересными с научной точки зрения.

Прикладное, но не лишнее

Впрочем, в первую очередь именно возможность применения вызывает столь бурный интерес к графену, и сами учёные отмечают это.

«Многие компании, лидеры на рынке электроники, рассматривают графен как основу следующего поколения электронных устройств. Эта работа, безусловно, ещё больше увеличила шансы графена».

Профессор инженерного факультета Кембриджского университета Андреа Феррари, лидер кембриджского крыла исследовательской команды, также подчеркнул прикладное значение работы: «Эти результаты показывают его (графена – «Газета.Ru») огромный потенциал в области фотоники и оптоэлектроники, где его уникальные оптические и электрические свойства в комбинации с плазмонными наноструктурами могут быть использованы в полной мере… в разнообразных полезных устройствах, таких как солнечные батареи и фотодетекторы».

Такие быстродействующие элементы могут понадобиться, в том числе, в оптических сетях и системах связи будущего – к примеру, для развития высокоскоростного интернета, полагают учёные.