Коллектив научных сотрудников из МФТИ и Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН исследовал оптическое поглощение графена на различных подложках. Было обнаружено, что поглощение света графеном значительно увеличивается, если он расположен на гексагональном нитриде бора, тогда как на других подложках этого не происходит. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Communications Physics.
Открытый не так давно, в 2004 году, выпускниками МФТИ Андреем Геймом и Константином Новоселовым графен уже активно применяется в различных технологиях. Но ученые продолжают раскрывать все новые возможности использования этого уникального материала. Графен способен эффективно преобразовывать свет в электрические сигналы. Использовать это свойство можно было бы в фотодетекторах, но проблема в том, что бóльшая часть света свободно проходит через графен: одноатомному слою углерода не хватает толщины, чтобы эффективно поглощать фотоны.
Многие годы считалось, что поглощение графена универсально и равно 2,3 % (πα) от падающего света, поскольку связано с постоянной тонкой структуры (α = 1/137) в графене, которая, в свою очередь, определяется его уникальным атомным строением и электронными свойствами.
На протяжении нескольких лет коллектив ученых из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и ИБХФ РАН изучал оптические свойства графена при расположении на различных подложках (кварц, стекло, SiO2/Si). Во всех случаях поглощение было одинаковым. Стоит отметить, что шероховатость таких подложек сравнима с толщиной самого графена, а диэлектрические постоянные значительно ниже по сравнению с таковыми для гексагонального нитрида бора (hBN).
«В данной работе при помощи метода сухого переноса были получены гетероструктуры графен-hBN, графен-SiO2/Si. Затем мы изучили оптические свойства этих структур различными экспериментальными методами, которые показали, что в случае подложки из гексагонального нитрида бора графен поглощает значительно более высокое количество света», — пояснил Георгий Ермолаев, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
В своем исследовании ученые показали, что для подложки SiO2/Si оптические свойства воспроизводят результаты, полученные ранее в других работах, однако на подложке из гексагонального нитрида бора графен поглощает значительно больше света с хорошей воспроизводимостью полученных результатов. Более того, для проверки собрали особую конфигурацию из золотой подложки и гексагонального нитрида бора определенной толщины (150 нм). Это сделали для получения области с топологической темнотой, где наблюдается повышенная чувствительность спектральной эллипсометрии — высокоточного метода исследования оптических свойств материалов, основанного на изучении изменения поляризации падающего света после взаимодействия с поверхностью материала. Результаты эксперимента с топологической темнотой дали те же самые результаты, что подтвердило ранее полученные эффекты аномально большого поглощения света графеном по сравнению с остальными рассмотренными случаями.
Измерения спектральной эллипсометрии продемонстрировали, что подложки из гексагонального нитрида бора могут существенно увеличить поглощение в графене: примерно на 60% в широком спектральном диапазоне (250–950 нм). Следовательно, они больше подходят, чем стандартные подложки SiO2/Si, для фотонных приложений, таких как фотодетектирование, модуляция, и в сенсорах, где поглощение играет ключевую роль. Ученые объясняют такое поведение электрон-электронным взаимодействием, возникающим из-за высокого статического диэлектрического отклика гексагонального нитрида бора.
Полученные коллективом данные показывают, что универсальное оптическое поглощение графена может быть изменено в диэлектрической среде.
Рисунок. Схема гетероструктуры (а) графен/SiO2/Si; (б) графен/hBN; (в) оптическая фотография гетероструктуры графен/hBN/золото/SiO2/Si для области повышенной чувствительности; оптическое фото гетероструктуры; (г) графен/SiO2/Si, (д) графен-hBN; вставки на (г) и (д) отображают спектры комбинационного рассеяния с мест, которые отображены черной и белой точками на фотографиях; (е) оптическое поглощение исследуемых образцов в сравнении с литературными данными. Источник: Communications Physics
Расчеты ab initio выполнены с использованием ресурсов, предоставленных Объединенным суперкомпьютерным центром РАН.
