Исследователи из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова и университета Тохоку (Япония) теоретически обосновали возможность создания источников когерентных плазмонов – ключевых элементов оптоэлектронных схем будущего. Работа прибора основана на уникальных свойствах ван-дер-ваальсовых гетероструктур – композитов из графена и родственных слоистых материалов. Об этом достижении сообщается в пресс-релизе МФТИ.
Плазмон – псевдочастица, представляющая собой смесь колеблющихся электронов и привязанного к ним электромагнитного поля. С помощью плазмонов можно генерировать, передавать и принимать сигналы в интегральных схемах; плазмоны могут выступать посредниками между электронами и световыми волнами в высокоэффективных фотодетекторах и источниках излучения. Интересно, что энергия плазмона может быть сосредоточена на расстояниях много меньших длины световой волны: следовательно, работающие на плазмонном принципе приборы гораздо миниатюрнее своих фотонных аналогов. Наиболее «спрессованными» оказываются плазмоны, привязанные к проводящим плоскостям, и на основе таких плазмонов можно создавать наиболее компактные оптоэлектронные приборы.
На протяжении уже более чем сорока лет такие проводящие плоскости создают путем выращивания друг на друге нанометровых слоев полупроводников с близкой кристаллической структурой. При этом определенные слои обогащаются электронами и приобретают хорошую электропроводность. Подобные «слоеные пироги» называются гетероструктурами, и за их создание в 2000 году получил Нобелевскую премию Жорес Алферов.
Зонная диаграмма структуры «графен – дисульфид вольфрама – графен», поясняющая принцип генерации плазмонов. Приложение электрического напряжения V приводит к наполнению одного слоя электронами, а в другом при этом образуются свободные места – дырки. Электрон может туннелировать из занятого состояния в свободное (штриховая линия), при этом излишек его энергии идет на рождение плазмона (красная волнистая линия). Илл.: МФТИ
В последние годы внимание исследователей сосредоточено на другом материале – графене. На основе графена уже были созданы транзисторы для приема сверхвысокочастотных сигналов, быстродействующие фотодетекторы, и даже первые прототипы лазеров. Однако свойства графена можно обогатить еще больше, наложив его на другой слоистый материал с похожим кристаллическим строением. По сути, из материалов, похожих на графен, можно создавать те же «слоеные пироги» – гетероструктуры. Только теперь отдельные их составляющие скрепляются ван-дер-ваальсовыми силами, поэтому такие гетероструктуры называются ван-дер-ваальсовыми.
Исследователи обнаружили, что гетероструктура из двух слоев графена, разделенных тонкой прослойкой дисульфида вольфрама, может не только поддерживать компактные двумерные плазмоны, но и генерировать их при приложении электрического напряжения.
«Рассчитываемая нами структура, – рассказал пресс-службе МФТИ Дмитрий Свинцов, ведущий автор исследования, – является, по сути, активной средой для плазмонов. Более привычными примерами активных сред является гелий-неоновая смесь в газовом лазере или полупроводниковый диод в лазерной указке. Проходя через такие среды, свет усиливается, а если поместить активную среду между зеркалами, то среда будет самопроизвольно генерировать свет. Комбинация «активная среда + зеркала» составляет основу лазера, а активная среда для плазмонов является необходимым элементом плазмонного лазера, или спазера. Если активную среду периодически включать и выключать, то можно получать плазмонные импульсы "по заказу", что может найти приложение для передачи сигналов в интегральных схемах. Родившиеся в активной среде плазмоны также могут "отвязываться" от слоев графена и становиться фотонами в свободном пространстве. Это дает возможность создавать перестраиваемые источники излучения терагерцового и дальнего инфракрасного диапазона».
Активная среда, конечно же, не является вечным двигателем, и рождающаяся частица (фотон или плазмон) должна откуда-то брать энергию. В гелий-неоновом лазере эта энергия берется от электрона, заброшенного на высокую атомную орбиталь электрическим разрядом. В полупроводниковом лазере эта энергия берется при взаимном уничтожении отрицательных и положительных носителей заряда – электронов и дырок, которые поставляются источником тока. А в предлагаемой двухслойной графеновой структуре плазмон берет энергию от электрона, «прыгающего» со слоя с высокой потенциальной энергией на слой с низкой, как это показано на рисунке. Образование плазмона в результате такого прыжка похоже на образование волн при погружении ныряльщика в воду.
Хотя, говоря более точно, перемещение электрона со слоя на слой больше похоже на просачивание сквозь барьер, а не на прыжок через него. Это явление называется туннелированием, и обычно вероятность туннелирования очень мала уже для нанометровых барьеров. Исключение составляет так называемое резонансное туннелирование, когда каждому электрону из одного слоя уже «подготовлено место» в соседнем слое.
«Рассмотренный нами механизм генерации плазмонов очень похож на принцип работы квантового каскадного лазера, предложенного российскими учеными (Казаринов и Сурис, Физика и техника полупроводников, 1971) и реализованного в США более двадцати лет спустя (Faist and Capasso, Science 1994). В этом лазере фотоны берут энергию от электронов, туннелирующих между слоями арсенида галлия через барьеры из AlGaAs. Наши расчеты показывают, что в этой принципиальной схеме арсенид галлия может быть заменен графеном, а барьеры могут быть сделаны из дисульфида вольфрама. Такая структура сможет генерировать не только фотоны, но и их спрессованные аналоги – плазмоны. Генерация и усиление плазмонов раньше считались чрезвычайно сложной задачей, и предложенная нами структура на основе новых материалов может быть шагом к ее решению», – поясняет Дмитрий Свинцов.
Работа физиков опубликована в журнале Physical Review B.
