Учёные из центра нанофизики и перспективных материалов при Университете Мэриленда (США) разработали на основе графена новый тип болометра на «горячих электронах» — особо чувствительный к инфракрасному свету детектор.

В разработке использован двухслойный графен — углеродный лист толщиной в два атома. Благодаря уникальным свойствам материала можно было ожидать, что

болометр получит чувствительность к очень широкому спектру световых энергий, начиная с субмиллиметровых волн и инфракрасного света. Но самые большие надежды возлагались на детектирование субмиллиметровых волн, которые едва поддаются обнаружению. С появлением подобного прибора субмиллиметровая астрономия могла бы изучать ранние стадии формирования звёзд и галактик.

Рис. 1. Двухслойный графен (иллюстрация Loretta Kuo, Michelle Groce / University of Maryland).

Большинство фотонных детекторов основано на полупроводниках. Если коротко, электроны в полупроводниках способны абсорбировать фотоны света, энергия которых превосходит величину запрещённой зоны; на этом строятся такие устройства, как кремниевые солнечные батареи.

Графен, представляющий собой моноатомный слой графита, уникален тем, что ширина его запрещённой зоны равна нулю, то есть теоретически графен способен абсорбировать фотоны с любой энергией.

(Впрочем, если бы всё дело было только в ширине запрещённой зоны… Другим важным параметром для оценки вероятности абсорбции фотонов является толщина поглощающего слоя: чем она меньше, тем скорее длинноволновый фотон пройдёт сквозь материал, даже не заметив его. Именно это обстоятельство препятствует уменьшению толщины кремниевых солнечных батарей, а у графена с этим вообще проблемы: его ширина равна одному углеродному атому, тоньше уже некуда.) Это свойство делает его особенно перспективным материалом для абсорбции низкоэнергетичных фотонов (ИК и субмиллиметровые), которые проходят сквозь большинство полупроводников. Кроме того, у графена есть ещё одна притягательная особенность в качестве абсорбента фотонов: электроны, абсорбировавшие энергию, способны эффективно её сохранять без потерь на атомные колебания материала.

Это же объясняет экстремально низкое электрическое сопротивление вдоль графенового слоя.

Оба основных таланта графена и были использованы исследователями при разработке болометра на «горячих электронах», принцип действия которого заключается в измерении изменения сопротивления, являющегося результатом разогрева электронов вследствие абсорбции света.

Обычно сопротивление графена не зависит от температуры, что делает этот материал непригодным для создания болометра. Для решения этой проблемы учёные пошли на неоригинальную хитрость, применив двухслойную версию графена. В этом случае ввиду анизотропии проводимости между двумя слоями возникает запрещённая зона, достаточно широкая для того, чтобы сопротивление в этом направлении сильно зависело от температуры, но в то же время достаточно узкая для сохранения способности графена абсорбировать низкоэнергетичные фотоны (увы, уже далеко не столь низкоэнергетичные).

Выяснилось, что двухслойный болометр на «горячих электронах», оперируя при температурах в районе 5 К, демонстрирует сравнимый уровень чувствительности с другими болометрами, работающими при той же температуре, но графеновое устройство оказалось шустрее по крайней мере в тысячу раз.

После экстраполяции рабочих характеристик графенового болометра на более низкие температуры авторы работы заявили о том, что их болометр может превзойти все существующие технологии. (Любопытно, однако, как они собираются использовать на практике температуры ниже 4 К.)

К сожалению, сохраняются и трудности. Например, двухслойный графен всё равно поглощает слишком мало фотонов — лишь несколько процентов, зато его электрическое сопротивление, перпендикулярное плоскости слоя, оказывается близким по значению к другим полупроводникам, что делает невозможным его применение для обнаружения более высокочастотных волн. Над решением этих фундаментальных проблем и бьются сейчас мэрилендские учёные.

Пожелаем им удачи в этой благородной борьбе с основами физической науки.

Отчёт о работе опубликован в журнале Nature Nanotechnology.