Исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ обнаружили, что чувствительность детекторов терагерцового излучения на основе двуслойного графена можно увеличивать, не встречая фундаментальных ограничений со стороны материала. Это открытие позволит создать детекторы для нового поколения сверхскоростной связи и систем промышленной диагностики. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.
Терагерцовый диапазон электромагнитного спектра считается перспективным для беспроводной передачи данных в Wi-Fi и мобильных сетях поколений 6G и выше. Использование терагерцового излучения потенциально обеспечивает скорости передачи данных в десятки раз выше существующих. Однако его освоение сдерживалось, среди прочего, отсутствием компактных и высокочувствительных детекторов излучения.
Учёные МФТИ совместно с российскими и международными партнёрами разработали уникальный детектор терагерцового излучения на основе двуслойного графена. В этом материале возможно электрически создавать и точно настраивать так называемую «запрещённую зону». Эксперимент показал, что увеличение запрещённой зоны приводит к росту чувствительности детектора. Важно, что рост чувствительности не прекращается при достижении физического предела запрещённой зоны для данного материала. Применив инновационный подход к архитектуре детектора с использованием подзатворного диэлектрика диоксида гафния, исследователи увеличили ширину запрещённой зоны до рекордных 90 мэВ, при этом фотоотклик по напряжению достиг 49 кВ/Вт, а способность регистрировать слабые сигналы улучшилась в 20 раз.
«Мы стремились нащупать предел возможностей двуслойного графена, ожидая, что характеристики детектора стабилизируются. Однако чувствительность продолжала расти линейно даже при рекордных значениях запрещенной зоны. Это открытие меняет представление о потенциале графена в фотонике», — отметил Дмитрий Свинцов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Разработка имеет стратегическое значение для создания отечественной компонентной базы терагерцового диапазона. Технология открывает возможности для нескольких ключевых отраслей российской промышленности.
Так, в области телекоммуникаций детекторы позволят создать приёмопередатчики для сетей будущих поколений, способные обеспечивать терабитные скорости передачи данных. Это критически важно для развития беспилотного транспорта, систем дополненной реальности и телемедицины.
Для промышленного контроля высокочувствительные детекторы предлагают новые методы неразрушающего контроля трубопроводов и реакторов в нефтегазовой и атомной отраслях, а также высокоточные сканеры безопасности для транспортной инфраструктуры.
Совместимость технологии со стандартными CMOS-процессами (комплементарная металл-оксид-полупроводниковая технология – базовая для изготовления микропроцессоров) ускорит разработку новых измерительных систем для российских производственных линий.
Дополнительным научным достижением работы стало первое наблюдение плазмонных колебаний на рекордно низкой для графена частоте 130 ГГц, что подтверждает высочайшее качество созданных структур и открывает новые возможности для управления терагерцовым излучением.
Исследование выполнено при участии учёных из Физико-технологического института им. Валиева РАН, Института физики микроструктур РАН и международных партнёров из Национального университета Сингапура.
