Yeni grafen tabanlı terahertz dedektörü: daha küçük boyut!
Kılavuz
Son zamanlarda Rusya, İngiltere, Japonya ve İtalya'dan bir araştırma ekibi grafen tabanlı bir terahertz dedektörü geliştirdi.
arka fon
Terahertz teknolojisi şu anda dünyanın her yerinden bilim adamlarının büyük ilgisini çeken en son teknolojilerden biridir.
1990'dan önce, insanlar terahertz dalgaları hakkında çok sınırlı bilgiye sahipti. Son yıllarda, lazer teknolojisinin, kuantum kuyusu teknolojisinin ve yarı iletken teknolojisinin güçlü gelişimi nedeniyle, terahertz radyasyonunun üretim mekanizması, algılama teknolojisi ve uygulama teknolojisi üzerine güçlü araştırmaları teşvik eden terahertz dalgaları oluşturmak için kararlı ve güvenilir bir radyasyon kaynağı sağlandı. geliştirilmesi.
2004'te ABD hükümeti, terahertz teknolojisini "gelecekte dünyayı değiştirecek on teknolojiden" biri olarak değerlendirdi. Ocak 2005'te Japonya, terahertz teknolojisini "Ulusal Sütunların On Anahtar Stratejik Hedefi" nin başında listeledi. Kasım 2005'te Çin hükümeti, terahertz alanında etkili birçok yerli akademisyeni Çin'in terahertz endüstrisinin gelişim yönünü tartışmaya ve kalkınma planlarını formüle etmeye davet eden "Xiangshan Bilim ve Teknoloji Konferansı" nı özel olarak topladı. Buna ek olarak, dünyadaki diğer birçok ülke ve bölgelerdeki hükümetler, kurumlar, işletmeler, üniversiteler ve araştırma kurumlarının tümü, terahertz teknolojisi araştırma ve geliştirme artışına yatırım yaptı.
Terahertz dalgası nedir?
Terahertz dalgaları, mikrodalgalar ve kızılötesi ışınlar arasındaki frekans aralığı 0.1 ile 10 THz arasında olan elektromanyetik dalgaları ifade eder Bu tür elektromanyetik dalgalar insan gözüyle görülemez. Terahertz dalgaları, güçlü penetrasyon, yüksek güvenlik, iyi yönlendirme, yüksek bant genişliği ve yüksek zamansal ve uzamsal çözünürlük gibi teknik avantajlara sahiptir.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Terahertz dalgalarının üstün özelliklerinden dolayı terahertz teknolojisi, görüntüleme, depolama, iletişim, güvenlik, radar, silahlar, astronomi, tıp, tarım vb. Birçok alana uygulanabilir. Daha önce yazar, terahertz teknolojisinin aşağıdaki gibi ilgili uygulama örneklerini tanıttı:
(1) Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, kapalı bir kitabın sayfalarının içeriğini görüntülemek için terahertz teknolojisini kullanıyor ve kitabı açmadan kitabın içeriğini okuyor.
(Resim kaynağı: Barmak Heshmat)
(2) Hollanda'daki Nejmegen Üniversitesi FELIX Enstitüsü'nden araştırmacılar, mevcut fiber optik ağlar üzerinden terahertz frekans sinyal dalgalarını etkili bir şekilde iletebilen bir teknoloji gösterdiler.
(Resim kaynağı: Nejmegen Üniversitesi, Hollanda)
(3) Birleşik Krallık'taki Sussex Üniversitesi'ndeki bir fizikçi ekibi, gelecekte patlayıcıları tespit edebilecek bir havaalanı tarayıcısına dönüştürülmesi beklenen teknik bir çözüm tasarlamak için tek pikselli bir kamera ve terahertz dalgaları kullandı.
(Resim kaynağı: referans [2])
Ancak, diğer birçok yenilikçi teknoloji gibi, terahertz teknolojisi de geliştirme sürecinde bazı sorunlarla ve darboğazlarla karşılaşacaktır. Örneğin, terahertz dalgaları üreten mevcut radyasyon kaynakları çok fazla enerji tüketir veya güçlü soğutma gerektirir. Yazar, bu sorunu çözmek için bir keresinde Almanya'daki Kaiserslautern Teknik Üniversitesi (TUK) ekibi tarafından geliştirilen "spin akımını" kullanarak terahertz dalgaları oluşturmanın yeni bir yöntemini tanıttı.
(Resim kaynağı: TUK)
Bununla birlikte, herhangi bir veri iletimi sistemi, yalnızca bir sinyal göndermek için bir radyasyon kaynağına değil, aynı zamanda sinyali almak için bir detektöre de ihtiyaç duyar. Bununla birlikte, mevcut terahertz dedektörleri, temel olarak terahertz dalgası ile algılama elemanı arasındaki boyut uyumsuzluğundan kaynaklanan düşük verimlilik sorununa sahiptir. Transistörün boyutu mikron mertebesindedir ve tipik terahertz radyasyon dalga boyu ondan 100 kat daha uzundur. Bu, terahertz dalgasının herhangi bir etkileşim olmaksızın dedektörden gizlice uzaklaşmasına neden oldu.
Yenilikçilik
Yukarıdaki sorunları çözmek için Rusya, İngiltere, Japonya ve İtalya'dan bir araştırma ekibi yakın zamanda grafen bazlı bir terahertz dedektörü geliştirdi. Araştırma "Nature Communications" dergisinde yayınlandı.
(Resim kaynağı: çarcyanide / MIPT Basın Bürosu)
teknoloji
1996'da bilim adamları, gelen dalga enerjisini dedektöre eşdeğer bir hacme sıkıştırmayı önerdiler. Bu amaçla, detektör malzemesi, "plazmonlar" olarak da bilinen özel "kompakt dalgaları" destekleyecektir. Tıpkı bir fırtına geldiğinde deniz yüzeyindeki dalgaların rüzgarla birlikte üflenmesi gibi, iletken elektronların ve ilgili elektromanyetik alanların toplu hareketini temsil ederler. Teorik olarak, dalganın rezonansı altında, bu detektörün verimliliği daha da geliştirildi.
Böyle bir detektörün farkına varmak beklenenden daha zordur. Çoğu yarı iletken malzemede, plazmonlar hızlı bozulma yaşarlar. Başka bir deyişle, elektronların ve safsızlıkların çarpışması nedeniyle yavaş yavaş zayıflarlar. Grafen ümit verici bir çözüm olarak görülüyor, ancak ondan önce hala yeterince temiz değildi.
Bu araştırmanın yazarları, bu uzun süredir devam eden soruna bir çözüm sundu: rezonans terahertz dalga tespiti. Bor nitrür kristalleri arasında kapsüllenmiş ve bir terahertz antenle birleştirilen çift katmanlı bir grafenden oluşan bir fotodetektör (Şekil 1'de gösterilmiştir) oluşturdular. Bu sandviç yapıda, safsızlıklar grafen tabakadan çıkarılır ve plazmonların daha serbestçe yayılmasına izin verir. Metal tel ile bağlanan grafen levha bir plazmon rezonatörü oluştururken, grafenin çift katmanlı yapısı geniş bir dalga hızı ayarı yelpazesi getirir.
Şekil 1: Transistör kanalı, bir sandviç gibi iki altıgen bor nitrür (hBN) kristali arasına sıkıştırılmış çift katmanlı grafenden (BLG) oluşur. Bu yapı, bir silikon oksit substrat (gri) üzerine monte edilmiştir. Terahertz antenin iki manşonu, kaynak ile ızgara, yani sol ve üst elektrotlar (altın) arasına bağlanır. Sinyal voltajı, kaynak ve boşaltma (sol ve sağ elektrotlar) arasında okunur.
(Resim kaynağı: çarcyanide / MIPT Basın Bürosu)
Aslında, ekip yalnızca birkaç mikron boyutunda kompakt bir terahertz spektrometresi geliştirdi ve rezonans frekansı voltaj ayarlamasıyla kontrol edilebilir. Fizikçiler ayrıca dedektörlerinin temel araştırma potansiyelini de gösterdiler: Dedektördeki akımı farklı frekanslarda ve elektron yoğunluklarında ölçerek plazmonların özelliklerini ortaya çıkardı.
Grafen bazlı terahertz dedektörü (resim kaynağı: referans [3])
değer
Makalenin ortak yazarlarından biri ve Rusya Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü Optoelektronik İki Boyutlu Malzeme Laboratuvarı'nın lideri Dmitry Svintsov şunları söyledi: "Ekipmanımız hassas bir dedektör olarak kullanılabilir, ayrıca terahertz aralığında çalışan bir spektrometre ve bir araştırma İki boyutlu malzemelerdeki eksimerleri izole etmek için bir araç. Önceki dedektörlerin hepsinde var, ancak bu dedektörler tüm optik tezgahı kaplıyor. Aynı işlevi yaklaşık on mikronluk bir hacme sığdırıyoruz. "
Anahtar kelime
Terahertz teknolojisi, plazmon, grafen
Referans
[1] https://mipt.ru/english/news/new_t_wave_detector_uses_waves_of_the_electronic_sea_in_graphene
[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b00653
[3]
