Ученые определили причину возникновения фототока в Ван-дер-Ваальсовых гетероструктурах — гибридных материалах, составленных из графена и других атомарно тонких монослоев. Исследование показало, что ток при освещении таких структур возникает из-за нагрева электронов излучением и последующего изменения вероятности квантово-механического туннелирования. Данное явление представляет собой квантовый аналог эффекта термопары — возникновения электрического напряжения в неоднородно нагретых материалах. Результаты исследования опубликованы в журнале npj 2D Materials and Applications.
Значимость исследования обусловлена потребностью в разработке детекторов инфракрасного (теплового) излучения. Чувствительные детекторы в этом диапазоне имеют широкий спектр применений: от изучения излучения небесных объектов и неинвазивных исследований в медицине до мониторинга окружающей среды. Однако создание фотодетекторов в этом диапазоне — это технически сложная задача из-за малости энергии фотона в сравнении с энергией ионизации типичных полупроводников. Получается, что инфракрасное излучение проходит через большинство полупроводниковых материалов насквозь, не замечая их. Поэтому поиск альтернативных и перспективных конструкций является актуальной задачей.
Многообещающей конструкцией для инфракрасных детекторов являются Ван-дер-Ваальсовы гетероструктуры, в которых два слоя графена разделены тонкой прослойкой нитрида бора. Уже более десятилетия такие приборы, называемые двумерными резонансно-туннельными диодами, исследуются в качестве генераторов сверхвысокочастотных сигналов, элементов гибкой электроники и даже в качестве устройств для управления квантовым долинным состоянием электрона. Исследователи из МФТИ впервые обратили внимание на потенциальную чувствительность этих устройств к инфракрасному излучению. Действительно, барьерный материал нитрид бора имеет несколько ярких линий поглощения в инфракрасном диапазоне, что уже хорошо для чувствительности к тепловому излучению. Далее, протекание электрического тока в таких структурах обусловлено квантовым эффектом туннелирования — просачивания электронов между слоями графена через нитрид-борный барьер. Эффект туннелирования чувствителен как к энергии электронов, так и к форме барьера, а оба этих параметра могут меняться при облучении. Однако лишь эксперимент мог ответить на вопрос о том, будет ли фототок при ИК-облучении таких устройств действительно большим, и по какому физическому принципу он будет возникать?
Рисунок 1. Иллюстрация туннельного эффекта. Предоставлено авторами статьи
Для ответа на этот вопрос ученые создали структуру из двух чешуек однослойного графена, между которыми расположили трехслойный гексагональный нитрид бора толщиной около 1 нм. Вся конструкция располагалась поверх слоя графита, из которого можно было «черпать» дополнительные электроны и переносить их в графена. Говоря более строго, графит играл роль электрического затвора к двум слоям графена. Размер зоны перекрытия двух графеновых слоев, где было возможно явление туннелирования, составлял около двух квадратных микрометров.
Рисунок 2. Схема туннельного детектора. Источник: журнал Npj 2D Materials and Applications.
«Наш прибор был изготовлен методом «стекинга» (stacking), т.е. послойного сбора из нескольких слоев — графена и нитрида бора. В нашей лаборатории ребята владеют этим методом на уровне лучших лабораторий мира. Один из сотрудников, Михаил Кащенко, проходил стажировку у Константина Новоселова, выпускника МФТИ и нобелевского лауреата. Затем они с Денисом Бандуриным закупили оборудование, обучили студентов и поставили этот метод на Физтехе. Хотя аналогичные туннельные структуры уже изготавливали за рубежом, мы впервые применили ее в качестве ИК-фотодетектора. Мы выяснили, что созданная нами структура представляет собой целый клад для создания различных оптоэлектронных устройств среднего ИК-диапазона и уже готовим следующую публикацию», — рассказал Дмитрий Мыльников, научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.
Сам эксперимент состоял в регистрации тока, возникающего между слоями графена, когда вся структура освещалась излучением инфракрасного лазера (длина волны 8 мкм). Даже без электрического напряжения между слоями графена возникал электрический ток. Иначе говоря, Ван-дер-Ваальсова гетероструктура работала как фотоэлемент, что уже является замечательным экспериментальным фактом. При наличии же электрического напряжения между слоями графена туннельный ток менялся при облучении структуры, то есть структура проявляла свойство фотосопротивления.
Главной научной загадкой была физическая причина возникновения фототока. Для получения ответа исследователи сопоставили «карты» фототока, туннельного электросопротивления и теплового коэффициента сопротивления. Здесь под «картой» имеется в виду зависимость физической величины от двух параметров — напряжения между слоями графена и напряжения на графитовом затворе. Все три карты оказались, с хорошей точностью пропорциональны друг другу. Это говорит о том, что фототок оказывается чувствительным к тепловым характеристикам устройства. Дальнейшие теоретические исследования и сравнение с экспериментом показали: ток возникает благодаря квантовому термоэлектрическому эффекту. Излучение греет преимущественно верхний слой гетероструктуры, а нижний слой остается холодным. Горячие электроны имеют большую кинетическую энергию, поэтому с большой вероятностью проходят через туннельный барьер. Эти прыжки горячих электронов в холодный нижний слой графена и регистрируются в виде фототока.
Рисунок 3. Карта фототока: зависимость фототока от двух параметров — напряжения между слоями графена и напряжения на графитовом затворе. Источник: журнал Npj 2D Materials and Applications.
«Эффект туннелирования электронов через диэлектрик является проявлением квантовой волновой природы электрона. В классической же физике возможны только прыжки электронов высокой энергии над энергетическим барьером. Эффект, обнаруженный нами, находится на стыке квантовой и классической статистической физики. Излучение увеличивает кинетическую энергию электрона, он становится более горячим и уже почти готов сделать классический прыжок над барьером. Оставшееся “почти” преодолевается с помощью квантового туннелирования», — поясняет Кирилл Капралов, сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, автор работы, ответственный за теоретическую часть.
С практической точки зрения важно, что фоточувствительность такого устройства можно легко «разогнать» путем увеличения площади туннельного контакта. Ученые измерили фоточувствительность второго устройства с площадью, в 10 раз превышающей площадь первого, и подтвердили кратный рост фототока. Туннельные микродетекторы, демонстрирующие фототок на таком уровне, уже можно рассматривать как строительный блок для многопиксельных камер среднего ИК-диапазона.
В работе, кроме ученых из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, принимали участие их коллеги из лаборатории физики программируемых функциональных материалов Центра нейрофизики и нейроморфных технологий, Института проблем технологии микроэлектроники РАН, Российского квантового центра, Ереванского государственного университета, Института функциональных интеллектуальных материалов Сингапура, Национального университета Сингапура.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (21-79-20225, 075-00296-24-00).
