T dalgası tespiti için grafen kullanılabilir mi? T dalgaları ayrıca tıbbi taramalarda röntgenlerin yerini alacak
Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü (MIPT) ve Valiev Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nden Rus araştırmacılar, ticari grafende terahertz radyasyonunun rezonans emilimi olduğunu kanıtladılar. Bu, interneti daha hızlı ve güvenli bir şekilde vücut taraması için x-ışınlarının yerini alacak yüksek verimli terahertz dedektörlerinin tasarımında önemli bir adımdır.Araştırmanın sonuçları "Physics Review Application" da yayınlandı.
Grafen Optoelektronik
Andre Geim ve Kostya Novoselov, grafenin benzersiz elektronik özelliklerini inceledikleri için Nobel Fizik Ödülü'nü kazandıklarından, bu malzemeye olan ilgi hiçbir zaman azalmadı. Grafen aslında iki boyutludur: Bir atom kadar kalın bir karbon katmanından oluşur, bu da performansının bu kadar şaşırtıcı olmasının nedenlerinden biridir. Çok incedir, ancak yüksek mekanik mukavemete sahiptir, hatta helyum atomlarını geçirmez ve çok iyi elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir. Grafendeki elektronların yüksek hareketliliği, onu, terahertz aralığında çalışan dedektörler de dahil olmak üzere ultra hızlı fotodetektörler için ideal bir malzeme haline getirir.T-dalgası olarak da bilinen THz radyasyonunun üretilmesi ve tespit edilmesi de zordur.
Bu, elektromanyetik spektrumda yaklaşık 0.1-10 terahertz'lik frekans bandına atıfta bulunan "terahertz aralığı" kavramına yol açtı. Bu aralıkta radyasyon üretmek ve tespit etmek için etkili bir cihaz yoktur. Ancak t dalgaları insanlar için çok önemlidir: vücuda zarar vermezler, bu nedenle tıbbi taramalarda röntgen ışınlarının yerini alabilirler. Ek olarak, t dalgası Wi-Fi'yi daha hızlı hale getirebilir ve astronomik araştırmalar için yeterince araştırılmamış bir kozmik radyasyon bandı açabilir. Grafenin büyük bir ışık algılama potansiyeline sahip olmasına rağmen, tek katmanı yalnızca harici radyasyonun yaklaşık% 2,3'ünü emer, bu da güvenilir algılama için yeterli değildir.
Bu sorunu çözmenin bir yolu, elektromanyetik dalgayı, rezonans salınımını uyarmak için elektromanyetik dalgayı elektronik olarak grafenle eşleşmeye zorlayarak grafenin yakınına güçlü bir şekilde yerleştirmektir. Ortaya çıkan elektromanyetik alan ve iletilen elektronların toplu dalgalarına yüzey plazmonları denir. Karşılık gelen plazmon rezonans fenomeni, yüzey plazmon dalgalarının uyarılmasına bağlı olarak ışık emilimindeki artıştır. Ne yazık ki, bu fenomen düzlem dalgalarla aydınlatılan sürekli bir iletken parçası üzerinde gözlemlenmemiştir. Plazmanın dalga boyu fotonunkinden daha kısadır, bu yüzden iki dalgayı senkronize etmek zordur. Bu farkı gidermek için grafen filmin üstüne metal bir ızgara yerleştirildi. Küçük bir tarak gibidir, dişler arası mesafe bir mikrondan azdır.
Grafen beklentileri ve gerçekliği
(Daire kartı buraya eklendi, lütfen görüntülemek için Toutiao istemcisine gidin)Nihai ürün kalitesi ve emek yoğunluğu açısından farklılık gösteren grafen üretmek için düzinelerce teknoloji vardır. Araştırmacılar grafeni yüksek elektron hareketliliği nedeniyle övüyorlar, ancak bu malzemeyi üretmenin zorluğunu hafife alma eğilimindeler. En yüksek kalitede grafen, mekanik pul pul dökülme ile üretilir. Bu, iki yapışkan bant arasına bir parça grafit yerleştirmeyi ve ardından daha ince ve daha ince katmanları çoklu yinelemelerde soymayı içerir. Bir noktada grafen parçaları (yani tek katmanlı grafit) ortaya çıktı. Bu "el yapımı" grafen, MIPT, Moskova Devlet Pedagoji Üniversitesi ve Manchester Üniversitesi'nden araştırmacılar tarafından yapılan kapsüllenmiş grafene dayalı rezonant t dalgası dedektörleri gibi uygulama ekipmanında en iyi özelliklere sahiptir.
Ne yazık ki, mekanik pul pul dökülme ile üretilen grafen pullarının çapı sadece birkaç mikrondur, bu da birkaç ay sürebilir ve seri cihaz tasarımı için maliyet çok yüksektir. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) adı verilen grafen sentezi için daha basit ve ölçeklenebilir bir alternatif teknoloji vardır. Gazın özel bir fırında - genellikle metan, hidrojen ve argon karışımı - ayrıştırılmasını içerir. Bu işlem, bakır veya nikel yüzeyler üzerinde grafen filmlerin oluşmasına neden olur. Bu şekilde elde edilen grafen, mekanik olarak pul pul dökülmüş grafenden daha kötü özelliklere ve daha fazla kusura sahiptir.
Ancak CVD şu anda ekipman üretimini genişletmek için en uygun teknolojidir.Rus fizikçiler, bu ticari sınıf grafenin terahertz plazmon rezonansını uyarmak için yeterli olup olmadığını test etmeye başladı, bu da onu t dalgası dedektörleri için etkili bir malzeme haline getirecek. Aslında, cvd tarafından üretilen grafen film tek tip değildir. Polikristalin gibi, birçok birleştirilmiş parçacıklardan oluşur. Her biri tamamen simetrik bir atom modeline sahip sıralı bir bölgedir. Araştırma ortağı ve MIPT lisansüstü öğrencisi Elena Titova şunları söyledi: Tahıl sınırları ve kusurları, bu grafeni incelemeyi kolay olmaktan uzak kılıyor.
Ekip, enstitünün ortak araştırma tesisi merkezinde CVD grafen çalışmalarında uzmanlaşmak için bir yıldan fazla zaman harcadı. Aynı zamanda, laboratuvarın teorik bölümündeki meslektaşlar, plazmon rezonansının gözlenmeyeceğinden emindi. Bunun nedeni, rezonans görünürlüğünün kalite faktörü olarak adlandırılan, yani elektron kafes kusuruyla karşılaşmadan önce elektrik alanının kaç döngüden geçtiği tarafından belirlenmesidir. Teorik olarak, CVD grafendeki elektron kusurlarının sık sık çarpışması nedeniyle Q faktörü çok düşüktür. Yani, grafendeki yüksek elektron hareketliliği, seyrek elektron çarpışmalarından değil, elektronların yüksek hızlara hızla ivmelenmelerini sağlayan düşük kütlelerinden kaynaklanmaktadır.
Teori ve deney
Karamsar teorik tahmine rağmen, araştırma makalesinin yazarı bu deneyi yapmaya karar verdi ve çözüm ödüllendirildi: cvd ile sentezlenen grafende, absorpsiyon spektrumu bir plazmon rezonans zirvesi gösterdi. Optoelektronik 2D Malzemeler MIPT Laboratuvarı'nın araştırma direktörü ve başkanı Dmitry Svintsov şunları söyledi: Sorun, tüm kusurların aynı olmamasıdır.DC ölçümünde ve THz absorpsiyon ölçümünde elektronlar farklıdır. Kusurlar çarpıştı. Doğru akım deneyinde, elektronlar, bir elektriksel temas noktasından diğer bir elektriksel temas noktasına kadar olan süreçte kaçınılmaz olarak tane sınırları ile karşılaşır. Ancak t dalgalarına maruz kaldığında, çoğunlukla tek bir parçacık içinde, sınırından uzakta dalgalanır.
Bu, DC iletkenliğini bozan kusurların t dalgası tespiti için aslında 'güvenli' olduğu anlamına gelir. Diğer bir gizem, daha önce var olan teorilerle tutarsız olan rezonant plazma uyarılma sıklığı ile ilgilidir. Metal ızgaranın geometrisi ile beklenmedik bir ilişkisi olduğu ortaya çıktı. Grafenin yakınına yerleştirildiğinde, ızgara plazma alanının dağılımını değiştirir. Bu, plazmanın "tarak" altında konumlanmasına yol açar, tarağın kenarı plazmonların aynası gibidir. Katı hal fiziği ile sıkı bir şekilde entegre edilmiş bir modelin analojisine dayanarak, bu fenomeni açıklamak için çok basit bir teori oluşturuldu. Bu teori, deneysel verileri montaj parametrelerine dayanmadan iyi bir şekilde yeniden üretir ve gelecekte t-dalgası dedektörlerinin optimum tasarımı için kullanılabilir.
Brocade Garden Araştırma / Gönderen: Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü
Referans Dergisi "Fizik İnceleme Uygulaması"
DOI: 10.1103 / PhysRevApplied.11.054017
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
