19 июня 2019, среда, 00:50
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

29 сентября 2016, 17:14

Физики из МФТИ разработали компактный плазмонный генератор на основе графена

МФТИ

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.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.