Двухслойный графен из МФТИ: материал будущего для детектирования терагерцового излучения

Терагерцовое излучение — электромагнитное излучение, частота которого находится между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Это излучение имеет большой потенциал для применения в различных областях науки и техники, таких как биомедицина, безопасность, коммуникации, астрономия и другие. Однако для реализации этих возможностей необходимо разработать эффективные источники и детекторы терагерцового излучения, которые могут работать при разных температурах и частотах.


Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) разработали новый тип детектора терагерцового излучения на основе двухслойного графена. Этот детектор обладает рекордной чувствительностью при криогенных температурах и достаточной чувствительностью при комнатной температуре. Кроме того, он имеет простую конструкцию и низкую стоимость. Это открытие открывает новые перспективы для применения терагерцового излучения в различных областях науки, техники и медицины. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature Communications.

Графен — двумерный материал из одноатомного слоя углерода, который обладает уникальными электронными, оптическими и механическими свойствами. Графен является одним из лучших проводников электричества и тепла, имеет высокую прозрачность для видимого и инфракрасного света, а также способен взаимодействовать с терагерцовым излучением.

Двухслойный графен — это структура из двух слоев углерода, сдвинутых друг относительно друга на небольшой угол. Такая конфигурация позволяет создать небольшую ширину запрещенной зоны — энергетический интервал между зонами проводимости и валентности в кристаллической решетке материала. Запрещенная зона определяет способность материала проводить электричество: чем она больше, тем хуже проводник; чем меньше или отсутствует (как в однослойном графене), тем лучше проводник. Двухслойный графен с небольшой запрещенной зоной оказался «золотой серединой» между однослойным графеном и классическими объемными полупроводниками.

Ученые из МФТИ изготовили детектор на основе двухслойного графена и подвергли его испытаниям при разных температурах и частотах терагерцового излучения. Они обнаружили, что детектор обладает рекордной чувствительностью при криогенных температурах (около -260 °C), превосходя по этому параметру коммерческие болометры на полупроводниках и сверхпроводниках. При комнатной температуре чувствительность детектора снижается, но все еще остается достаточной для практических приложений. Ученые также выяснили, что чувствительность детектора зависит от угла сдвига между слоями графена: чем он больше, тем лучше детектор работает.

Детектор на основе двухслойного графена имеет ряд преимуществ перед существующими детекторами терагерцового излучения. Во-первых, он имеет высокую чувствительность при любых температурах, что позволяет использовать его без специального охлаждения. Во-вторых, он имеет простую конструкцию и низкую стоимость, что делает его доступным для широкого применения. В-третьих, он имеет широкий динамический диапазон и может работать при разных частотах терагерцового излучения.

В перспективе терагерцовое излучение может быть использовано для беспроводной передачи данных сверхвысокой скорости, для сканирования объектов без повреждения их структуры, для диагностики и лечения некоторых заболеваний, для изучения космических объектов и явлений. Для этого необходимо продолжать развивать технологии генерации и детектирования терагерцового излучения, а также исследовать его взаимодействие с различными материалами и биологическими системами.