Высокочувствительный плазмонный детектор терагерцового излучения на основе графена

ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПЛАЗМОННЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА

1,2, 2, 1,2,3

1Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени

2Саратовский филиал Института радиотехники и электроники

им. РАН

3Саратовский научный центр РАН

E-mail: *****@***ru

Детектирование терагерцового (ТГц) излучения в графеновых микро - и наноструктурах вызывает большой научный интерес за счет уникальных электронных свойств графена [1,2]. Нелинейные свойства плазменных волн в графене [3] порождают два различных механизма плазмонного детектирования ТГц волн, связанные с эффектом плазмонного увлечения электронно-дырочного плазмонного храповика [4].

В данной работе рассматривается слой графена, экранированный двойным металлическим решеточным затвором (рис. 1(а)). Графен расположен на подложке, состоящей из SiO2 и отделен от двойного решеточного затвора барьерным слоем, состоящим из Al2O3. Две подрешетки затвора пространственно смещены друг относительно друга для создания асимметрии периодической элементарной ячейки периодической структуры. Приложение постоянного напряжения между затворной решеткой и графеном позволяет контролировать равновесную концентрацию носителей заряда в подзатворных областях графена. Тип носителей заряда в подзатворных областях зависит от знака напряжения.

Нелинейная динамика носителей заряда в графене описывается в гидродинамическом приближении [5]. Уравнения гидродинамики решаются методом теории возмущений [6] путем разложения скорости носителей заряда, энергии Ферми и плотности тока по степеням амплитуды действующего электрического поля с сохранением только линейных и квадратичных членов разложения. Применяются приближения нулевой температуры и малой скорости движения носителей заряда. Электрическое поле плазмонов в графене, индуцированное нормально падающей на структуру ТГц волной, вычислено с использованием самосогласованного электродинамического подхода [7].

Для гармонического электрического поля , где – частота падающей волны, плотность полного выпрямленного тока имеет вид [4]:

               (1)

где  - элементарный заряд ( для электронов, для дырок), - период релаксации импульса носителей заряда, - скорость Ферми носителей заряда, а квадратные скобки обозначают усреднение по пространству.

Токовая чувствительность детектирования ТГц излучения рассчитывается по формуле , где P = 1 Вт/см2 – мощность ТГц волны, нормально падающей на площадь графеновой структуры, равную 1Ч1 мм.

 

Рис. 1. (а) Схематическое изображение графеновой структуры с двойным решеточным затвором; (б) Токовая чувствительность в зависимости от частоты падающей волны и коэффициента асимметрии структуры 1–s1/s2. Расчетные параметры: ,,

Ни рисунке 1(б) показана токовая чувствительность ТГц детектирования, вычисленная в графеновой структуре с двойным решеточным затвором и распределением энергии Ферми носителей заряда . Резонансные пики на рисунке 1(б) связаны с возбуждением плазмонных мод под широкими затворами. В этом случае, детектирование ТГц излучения связано с эффектом плазмонного электронно-дырочного храповика [4], а величина токовой чувствительности может достигать значения 20 А/Вт для больших значений коэффициента асимметрии 1–s1/s2, что более, чем на порядок, превышает значения токовой чувствительности плазмонного детектирования в полевых транзисторах на основе GaAs/AlGaAs [8].

Таким образом, в этой работе была изучена зависимость токовой чувствительности плазмонного детектирования в графеновой структуре с периодическим решеточным затвором от асимметрии элементарной ячейки. Высокая токовая чувствительность структуры позволяет использовать ее в качестве эффективного детектора ТГц излучения.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (№ 15-02-02989, 16-02-00814 и 17-52-53063) и гранта Президента РФ для молодых ученых (МК-5447.2016.2).

Библиографический список

[1] Geim A. K., Novoselov K. S. The rise of graphene. // Nature Mater. 2007. V. 6. P. 183–191.

[2] Olbrich P., Kamann J., Kцnig M., Munzert J., Tutsch L., Ming-Hao Liu, Eroms J., Weiss D., Golub L. E., Ivchenko E. L., Popov V. V., Fateev D. V., Mashinsky K. V., Fromm F.,  Seyller Th., Ganichev S. D. Terahertz ratchet effect in graphene with a lateral superlattice // Phys. Rev. B. 2016. V. 93. P. 075422-075437.

[3] Tomadin A., Tredicucci A., Pellegrini V., Vitiello M. S., Polini M. Photocurrent-based detection of terahertz radiation in graphene // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. P. 211120-211123.

[4] Fateev D. V., Mashinsky K. V., Popov V. V. Terahertz plasmonic rectification in a spatially periodic graphene // Appl. Phys. Lett. 2017. V.110. P. 061106-061109.

[5] Rudin S. Non-linear plasma oscillations in semiconductor and Graphene channels and application to the detection of terahertz signals // Int. J. High Speed Electron. and Systems. 2011. V. 20(3). P. 567-583.

[6] Aizin G. R., Fateev D. V., Tsymbalov G. M., Popov V. V. Terahertz plasmon photoresponse in a density modulated two-dimensional electron channel of a GaAs/AlGaAs field-effect transistor // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. P. 163507-163509.

[7] , Попов. В. В., Шур плазмонного спектра в транзисторной структуре с решеточным затвором и пространственно-модулированным двумерным электронным каналом // ФТП. 2010. Т. 44(11). С. 1455-1462.

[8] Popov V. V., Ermolaev D. M., Maremyanin K. V. Maleev N. A., Zemlyakov V. E., Gavrilenko V. I., Shapoval S. Yu. High-responsivity terahertz detection by on-chip InGaAs/GaAs field-effect-transistor array // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. P. 153504-153506.

Сведения об авторах

– аспирант, г.

– к. ф.-.м. н., г.

– д. ф.-м. н., профессор, г.

, 24 года, e-mail: [email protected],

тел.: [phone].

Вид доклада: устный / стендовый