Investigadores rusos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y el Instituto de Física y Tecnología de Valiev han demostrado la absorción resonante de la radiación de terahertz en el grafeno disponible en el mercado. Este es un paso importante hacia el diseño de detectores de terahercios eficientes, que permitirían una conexión a Internet más rápida y un reemplazo seguro para los escáneres de rayos X.
Los hallazgos de la investigación se publicaron en Physical Review Applied («Plasmones de terahercios de unión firme en grafeno depositado con vapores químicos«).
Optoelectrónica de grafeno
Desde que Andre Geim y Kostya Novoselov recibieron el Premio Nobel de física 2010 por estudiar las propiedades electrónicas únicas del grafeno, el interés por este material nunca ha disminuido. El grafeno es verdaderamente bidimensional: consiste en una capa de carbono de un átomo de espesor, que es una de las razones por las que sus propiedades son tan sorprendentes. Es delgado pero mecánicamente fuerte, impermeable incluso a los átomos de helio, y conduce la electricidad y el calor extremadamente bien. La alta movilidad de los electrones en el grafeno lo convierte en un material prometedor para los fotodetectores ultrarrápidos, incluidos los que operan en la gama de terahercios.
La radiación THz, también conocida como ondas T, es igualmente difícil de generar y detectar. Esto dio lugar a la noción de una «brecha de terahertz», que se refiere a la banda de frecuencia de aproximadamente 0.1-10 THz en el espectro electromagnético. No hay dispositivos eficientes para generar y detectar radiación en este rango. Sin embargo, las ondas T son muy importantes para la humanidad: no dañan el cuerpo y, por lo tanto, podrían reemplazar los rayos X en las exploraciones médicas. Además, las ondas T podrían hacer el Wi-Fi mucho más rápido y desbloquear una banda de radiación cósmica poco estudiada para la investigación astronómica.
A pesar del gran potencial del grafeno para la fotodetección, su monocapa absorbe solo alrededor del 2.3% de la radiación externa, lo que no es suficiente para una detección confiable. Una forma de evitar esto es localizar fuertemente el campo cerca del grafeno, lo que obliga a una onda electromagnética a unirse con los electrones de grafeno y provocar oscilaciones resonantes. La onda colectiva resultante del campo electromagnético y los electrones de conducción se conoce como un plasmón de superficie. El fenómeno correspondiente de la resonancia de plasmón es la absorción de luz mejorada debido a la excitación de las ondas de plasmón de superficie.
Desafortunadamente, este fenómeno no se observa en una hoja continua de un conductor iluminado con ondas planas. La longitud de onda del plasmón es demasiado corta en comparación con la del fotón, por eso estas dos ondas difícilmente pueden ser sincrónicas. Para abordar esta disparidad, se coloca una rejilla metálica sobre la película de grafeno. Se parece a un peine pequeño con dientes a menos de un micrómetro de distancia.
Transistor a base de grafeno con una rejilla metálica. Cortesía de los investigadores. (Imagen: MIPT)
Grafeno: Expectativas contra realidad
Hay docenas de técnicas disponibles para producir grafeno. Difieren en términos de calidad del producto final e intensidad de mano de obra. Los investigadores que elogian la alta movilidad de electrones en el grafeno a menudo han minimizado la dificultad de fabricación de este material.
El grafeno de mayor calidad es producido por exfoliación mecánica. Esto implica colocar una pieza de grafito entre dos cintas adhesivas, que luego rasgan capas progresivamente más delgadas en múltiples iteraciones. En algún momento, surgen fragmentos de grafeno, es decir, grafito monocapa. Este grafeno «hecho a mano» tiene las mejores características para los dispositivos aplicados, como el detector de onda T resonante basado en el grafeno encapsulado creado por investigadores de MIPT, la Universidad Pedagógica Estatal de Moscú y la Universidad de Manchester ( Nature Communications , «Detección de terahercios resonantes usando plasmones de grafeno«).
Desafortunadamente, los copos de grafeno fabricados por exfoliación mecánica solo tienen micrómetros de ancho, tardan varios meses en producirse y resultan demasiado caros para el diseño de dispositivos en serie.
Existe una técnica alternativa más fácil y escalable para la síntesis de grafeno llamada deposición química de vapor (CVD). Se trata de gases en descomposición (normalmente, una mezcla de metano, hidrógeno y argón) en un horno especial. El proceso conduce a una película de grafeno que se forma en un sustrato de cobre o níquel. El grafeno resultante tiene características más pobres y más defectos que el exfoliado mecánicamente. Pero CVD es actualmente la tecnología más adecuada para ampliar la producción de dispositivos.
Los físicos rusos se propusieron probar si el grafeno de grado comercial es lo suficientemente bueno para la excitación por resonancia de plasmón THz, lo que lo convertiría en un material válido para los detectores de onda T.
“En realidad, una película de grafeno producida por CVD no es homogénea. Como un policristal, consiste en numerosos granos combinados. Cada una es una región ordenada con un patrón atómico completamente simétrico. Los límites de los granos, junto con los defectos, hacen que trabajar con este grafeno no sea fácil«, dijo la coautora del estudio y estudiante de posgrado en MIPT Elena Titova.
El equipo tardó más de un año en dominar el trabajo con grafeno CVD en el Centro de Instalaciones de Investigación Compartida del Instituto. Mientras tanto, los colegas del departamento teórico del laboratorio estaban convencidos de que no se observaría ninguna resonancia de plasmón. La razón es que la visibilidad de la resonancia está determinada por el llamado factor de calidad, es decir, cuántos períodos pasa el campo antes de que el electrón encuentre un defecto de la red. Las estimaciones teóricas predijeron un factor Q muy bajo limitado por las frecuentes colisiones de defectos electrónicos en el grafeno CVD. Dicho esto, la alta movilidad de electrones en el grafeno surge no debido a colisiones de electrones infrecuentes, sino debido a una baja masa de electrones, lo que permite su rápida aceleración a una alta velocidad.
Teoria y experimentacion
A pesar de las predicciones teóricas pesimistas, los autores del artículo decidieron seguir haciendo el experimento. Su resolución fue recompensada: los espectros de absorción mostraron los picos indicativos de resonancia de plasmón en el grafeno sintetizado con CVD.
“Lo cierto es que no todos los defectos son iguales, y los electrones chocan con diferentes defectos en las mediciones de corriente directa y en las mediciones de absorción de THz”, comenta el supervisor de investigación, Dmitry Svintsov, que dirige el Laboratorio MIPT de Materiales 2D para Optoelectrónica. “En un experimento de DC, un electrón inevitablemente encontrará límites de grano en el camino de un contacto eléctrico al otro. Pero cuando se expone a las ondas T, fluctúa principalmente dentro de un solo grano, lejos de sus límites. Esto significa que los defectos que dañan la conductividad de CC son realmente ‘seguros’ para la detección de ondas T«.
Otro misterio tenía que ver con la frecuencia de la excitación del plasmón resonante, que no estaba de acuerdo con las teorías previamente existentes. Resultó estar relacionado con la geometría de la rejilla metálica de forma inesperada. El equipo encontró que cuando se colocó cerca del grafeno, la rejilla (representada en naranja en la figura 1) modificó la distribución del campo de plasmón. Esto llevó a la localización del plasmón debajo de los «dientes de peine», cuyos bordes actuaron como espejos para los plasmones. Los investigadores formularon una teoría muy simple que describía el fenómeno basado en una analogía con el modelo de unión fuerte de la física del estado sólido. La teoría reproduce bien los datos experimentales sin recurrir a parámetros de ajuste y puede utilizarse para optimizar futuros detectores de onda T.
Fuente: Instituto de Física y Tecnología de Moscú.
