Terahertsise (1012 Hz) sagedusega leviv tugevalt infrapunane valgus on inimsilmale nähtamatu. Sellest hoolimata on tegemist kasuliku sagedusalaga, mida saab kasutada näiteks lõhkeainete ja uimastite tuvastamiseks. Ameerika Berkeley Laboratiooriumi (Berkeley Lab) valmistasid esimestena grafeenseadme, millel on terahertsiste elektromagnetlainete suhtes tugev, aga ka häälestatav, koste.
Grafeen-mikroribade kiirgustundlikkust saab mõjutada kolmel visil. Esiteks toimub ribade laiuse varieerimisel neeldumisspektri muutumine. Teiseks mõjutab laengulkandjate tihedus tugevalt plasmonide võnkumist. Suurem kontsentratsioon tähendab energilisemat võnkumist. Laengukandjate arvu saab juhtida grafeenplaadi peal olevale ioongeelile rakendatud pinge abil. Kolmandaks mõjutab neeldumisspektrit pealelangeva kiirguse polarisatsioon. Ribadega risti polariseeritud valgus tekitab spektris teravaid üleminekuid.
Seade põhineb miljondiku meetri paksustel grafeenribadel. Ribade laiuse ja nendes asuvate laengukandjate konsentratsiooni muutmisel on võimalik mõjutada ribades asuvate plasmonide võnkumist. Plasmon on kvantiseeritud elektronide võnkumine juhis (loe siit).
Terahertsise sagedusega elektromagnetlaine lainepikkus on sadu mikromeetreid, ent seadmes kasutatavate grafeenribade laius on vaid mõni mikromeeter. Seade, mis koosneb väiksematest osistest kui seda mõjutav valgus, on valmistatud metamaterjalist (loe siit).
Plasmonide mõjutamine
Kahemõõtmelises grafeemis on elektronidel väike seisumass ning alluvad seetõttu paremini välistele elektriväljadele. Plasmoni võnkesagedus sõltub grafeenriba olevate elektronide edasi-tagasi võnkumise perioodist. Sama sagedusega elektromagnetlainega valgustamisel tekib plasmoni resonants, millega kaasneb pealelangeva kiirguse suurem neeldumine. Resonantssagedus sõltub aga grafeenriba laiusest, mis tähendab, et riba laiuse muutmisel on võimalik muuta seadme neeldumisspektrit.
Pealelangeva kiirguse ja plasmonide koostoimet (light-plasmon coupling) saab mõjutada ka ribas olevate laengukandjate, elektronide ja vakantside, kontsentratsiooniga. Grafeeni üks huvitavaid omadusi on laengukandjate kontsentratsiooni sõltuvus tugevast välisest elektriväljast.
Berkeleys valmistatud seade suudab neeldumisspektrit mõjutada mõlemal eelmainitud viisil. Seadme mikroribad valmistati ühe aatomkihi paksuse süsiniku kihi aurufaas sadestamisel vase pinnale. Valminud grafeentahvel kaeti omakorda ränioksiidi kihiga. Pärast kihtide valmimist söövitati tahvlisse ribamuster.
Pildil on kujutatud grafeenribade laiuse ja plasmonide resonantssageduse sõltuvus. Laengukandjate arv on konstantne.
Sälgutatud grafeentahvlit valgustati Berkeley ALS seadmega (Advanced Light Source, loe siit). Sama seadme abil mõõdeti varasemast tugevaim terahertsise kiirguse ja plasmonide koostoime grafeenis.
Lisaks suutsid Berkeley teadlased muuta seadme neeldumisspektrit pealelangeva kiirguse polarisatsiooni abil. Ribadega paralleelselt polariseeritud kiirgus ei põhjustanud neeldumisspektris olulisi muutusi. Küll aga põhjustas spektris teravaid neeldumispiirkondi ribadega risti polariseeritud kiirgus. Omaette saavutus on neeldumise mõõtmine toatemperatuuril, mida on varem tehtud 0 K temperatuuri piirkonnas.
„Oleme loonud praktilise lahenduse terahertsise kiirguse kasutamiseks teaduses,“ ütleb töö teadlaste töörühma juht Feng Wang. Teadustööd saab tulevikus praktikas kasutada näiteks elektroonikaseadmete valmistamisel.
Allikas: PhysOrg
Leave a Reply