Группа ученых из Университета Беркли создала устройство с настраиваемым спектром поглощения в ИК области на основе массива параллельных полос графена микрометровой ширины.

Графен – уникальный материал с весьма интересными свойствами. В частности в его плоскости способны распространяться особые носители заряда – «безмассовые» Дираковские электроны. Они характеризуются высокой подвижностью, ярко выраженным эффектом Холла, способностью к туннелированию. Также интересно, что положение энергетических зон графена можно достаточно гибко варьировать различными способами. Огромную роль в свойствах графена играют плазмоны – квазичастицы, введенные для описания коллективных колебаний Дираковских электронов. В частности, поглощение света приводит к образованию плазмонов.

Рис. 1. Схема созданного устройства: 1) вид сверху, 2) вид сбоку.

Группа нанотехнологов из Университета Беркли получила упорядоченные массивы полосок графена на изолирующей подложке из SiO₂/Si. Для изменения концентрации носителей заряда в графене сверху находился слой ион-проводящего геля и затворный электрод (Рис. 1). Ширина полос имела порядок длины волны применяемого ИК света или даже была меньше.

Варьируя ширину полос графена, оказалось возможным получать плазмонный резонанс (возбуждение поглощаемым светом резонансных колебаний Дираковских электронов в перпендикулярном полосе направлении) на различной частоте. Частота изменялась как обратный квадратный корень из ширины. Таким образом, удавалось изменить спектр поглощения подобной графеновой системы (Рис. 2).

Рис. 2. 1) AFM массивов полос графена различной ширины, 2) Вид спектров поглощения для этих массивов.

Исследователи пользовались и еще одним методом “настройки” спектров поглощения, уже не требующим конструктивных изменений в системе. Прикладывая различное затворное напряжение, они изменяли энергию Ферми и, соответственно, концентрацию носителей заряда в графене. Чем больше было абсолютное значение приложенного напряжения, тем большая концентрация носителей заряда получалось. Это увеличивало интенсивность пика поглощения и смещало его в сторону больших энергий фотонов (Рис. 3).

Рис. 3. Спектры поглощения для одного и
того же устройства при разных затворных
напряжениях.

Авторами наблюдалась линейная зависимость частоты плазмонного резонанса (положения центра пика) от энергии Ферми, пропорциональной, в свою очередь, квадратному корню из концентрации носителей заряда (Рис. 4).

Рис. 4. Зависимость частоты плазмонного резонанса для массивов графеновых лент разной ширины от энергии Ферми (или квадратного корня из концентрации носителей заряда): 1) обычная, 2) после нормализации на ширину ленты.

Можно сделать вывод, что этой группой американских ученых был разработан гибко настраиваемый новый (мета?)материал на основе графена, способный найти применение в электронных устройствах, имеющих дело с электромагнитным излучением терагерцового диапазона.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Long Ju, Baisong Geng, Jason Horng, Caglar Girit, Michael Martin, Zhao Hao, Hans A. Bechtel, Xiaogan Liang, Alex Zettl, Y. Ron Shen & Feng Wang Graphene plasmonics for tunable terahertz metamaterials. – Nature Nanotechnology. – 6. – P.~630–634 (2011); doi:10.1038/nnano.2011.146; Published online 04 September 2011.