Группа ученых из России и Австрии продемонстрировала, что взаимодействие между плазмонными колебаниями в наноструктурированном графене приводит к сильному сдвигу спектра поглощения света в дальнем инфракрасном диапазоне. Данные разработки позволяют моделировать спектры плазмонов для применения их в оптоэлектронике и биосенсорике. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Photonics.

Плазмоны – это коллективные возбуждения электронов в твердых телах. В низкоразмерных материалах, таких как графен, их свойства можно измерять при помощи электрического поля. Благодаря этому плазмоны можно использовать в различных оптоэлектронных устройствах: сенсорах, детекторах, источниках излучения и многих других.

Плазмонные спектры в изолированных нанолентах (узких полосках графена) уже хорошо изучены. Однако для эффективной работы в реальных оптоэлектрических устройствах нужно, чтобы графен максимально заполнял площадь подложки, то есть чтобы на единицу длины помещалось наибольшее количество нанолент.

До недавнего времени оптические спектры таких систем описывались приближенно, как система не взаимодействующих друг с другом плазмонов в отдельно взятой наноленте. При таком подходе ошибка при вычислении частоты основной моды плазмонных колебаний в изолированной наноленте составляла более 10%. Это не давало исследовать более тонкие эффекты, например, радиационное расширение спектров поглощения.

В новой работе физики из Сколковского института науки и технологий, Технологического института Вены (Австрия), обнаружили, что электрическое взаимодействие плазмонов в графене приводит к сильному красному сдвигу спектра поглощения по сравнению со спектром плазмона в изолированной наноленте. Также они показали, что спектры поглощения нанолент заметно расширились в результате обратного переизлучения поглощенной энергии. Учет этой поправки позволяет очень точно определять параметры графена, из которого сделаны наноленты, такие как уровень Ферми и времена рассеяния носителей зарядов.

«Спектры поглощения графена за счет взаимодействия плазмонов покрывают дальний инфракрасный диапазон (энергии фотонов 10 меВ — 200 меВ), который, в свою очередь, совпадает с колебательными спектрами большинства биологических молекул. Это открывает возможности для проектирования и изготовления биосенсоров, основанных на графене», —рассказывает один из авторов исследования, сотрудник Сколковского института науки и технологий Вячеслав Семененко.

Приведенный в статье метод анализа спектров поглощения можно использовать для исследования тонких эффектов, влияющих на проводимость графена и других двумерных материалов, например, электрон-электронного взаимодействия, электронной или дырочной локализации, вызванной наличием дефектов и так далее.