Сразу три независимые исследовательские группы показали, что графен может эффективно преобразовывать свет в электрические сигналы, как это делают фотодетекторы. При этом, по оценкам учёных, графеновые фотодетекторы будут работать куда быстрее обычных, притом с меньшими энергозатратами. Компьютеры ждёт революция? (кратко об этом мы уже писали)

Оптоволоконные кабели, передающие огромные объёмы данных на большие расстояния, давно считаются становым хребтом Интернета. А вот внутри компьютеров входящая информация «передвигается» иначе — в виде электронов, пробирающихся по медным дорожкам, от одной микросхемы к другой. Электронные схемы в смысле передачи информации куда медленнее оптических и тратят намного больше энергии, что дополнительно нагревает внутренности компьютера и замедляет его общее быстродействие (если только вы не сумели отменить электрическое сопротивление).

Рис. 1. Устройство собирает свет при помощи кремниевого волновода (показан синим), что повышает вероятность поглощения световых волн листом графена (выделен серым). В результате на провода (жёлтые) поступает электрический сигнал. (Иллюстрация Thomas Mueller).

В принципе, передавать биты от микросхемы к микросхеме можно и светом. Но тогда на входе и выходе из каждой схемы понадобятся крошечные фотодетекторы, способные преобразовать излучение в электроимпульсы. К сожалению, обычные фотодетекторы на германии ограничены в этом смысле слишком узким диапазоном.

И тут недостатки графена становятся его преимуществами. Германий может зарегистрировать только те фотоны, чья энергия достаточна для преодоления энергического барьера запрещённой зоны, после «взятия» которого электрический заряд может свободно двигаться через этот полупроводник.

«А вот графен может зарегистрировать волны любой длины, потому что у него нет запрещённой зоны», — подчёркивает Томас Мюллер (Thomas Mueller), физик из Венского технологического университета (Австрия), автор одной из трёх представленных недавно разработок.

Как утверждают разработчики, графен дешевле германия и его проще интегрировать в кремниевую микросхему.

Почему лишь сейчас эта способность попала в поле зрения учёных, хотя материал появился не сегодня и не вчера? Уточним: первые фотодетекторы на графене были созданы в 2009 году, однако отличались они удивительной неэффективностью. Бóльшая часть света проходила через графен: одноатомному слою углерода просто не хватало толщины, чтобы удержать фотоны.

Ныне же три независимые исследовательские группы направляли свет по кремниевым волноводам вдоль листа графена (см. иллюстрацию), что позволило усилить «общение» графена со светом без снижения скорости такого взаимодействия.

В итоге новая версия таких фотодетекторов даёт от того же количества света ток, который в 50–100 раз превышает показатели модели 2009 года. И хотя это пока меньше, чем у германия, «разрыв сокращается очень, очень быстро», поясняет Дирк Энглунд (Dirk Englund) из Массачусетского технологического института (США), глава другой группы материаловедов.

И даже несмотря на меньший генерируемый поток электронов, графеновые фотодетекторы уже сейчас, по всей видимости, превосходят нынешние германиевые по эффективности. Дело в том, что скорость движения электронов в графене значительно выше, чем в германии, и это позволяет таким устройствам пропускать через себя куда больше информации в единицу времени, нежели у традиционных приборов. Так, фотодетекторы группы г-на Энглунда способны обрабатывать 12 гигабит информации в секунду — а это показатели высокоскоростных оптоэлектронных устройств. Что ещё важнее, новые устройства, похоже, вскоре превзойдут эту цифру, поскольку пока испытывались фактически экспериментальные схемы, и многие оптимизационные возможности учёные просто ещё не успели использовать.

Любопытно и то, что третья группа во главе с Цзяньбинь Сюем (Jian-Bin Xu), представляющая Китайский университет Гонконга (КНР), двигалась слегка другим путём, создав схему, которая улавливает инфракрасное излучение в средней части ИК-диапазона при комнатной температуре, в то время как обычно для регистрации волн такой длины детектор надо охлаждать жидким азотом до сверхнизких температур.

Подобные детекторы могут оказаться очень полезными для регистрации поглощения инфракрасного излучения отдельными молекулами. Эта техника, напомним, применяется в высокочувствительных датчиках, определяющих наличие в окружающей среде тех или иных химических веществ, а также для медицинского экспресс-анализа.

Рис. 2. В схеме Массачусетского технологического института электроды расположены слегка асимметрично, что облегчает покидание электронами графена под действием падающих на устройство световых волн.

Ну а пока на пути широкого внедрения таких устройств есть только один барьер — отсутствие массового производства графена машинным способом. Все три группы изготавливали графен для своих схем вручную, хотя работы по его производству методом химического парофазного осаждения уже ведутся.

И если последние преуспеют, то речь может пойти о резком росте скорости компьютерных шин при существенном падении их энергопотребления, а также о весомом снижении стоимости и громоздкости устройств по регистрации загрязнения воздуха и целого ряда методов медицинского экспресс-анализа.

Отчёты о рассмотренных работах опубликованы в журнале Nature Photonic, а ознакомиться с ними можно здесь, тут и здесь.