Исследователи из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова и университета Тохоку (Япония) теоретически обосновали возможность создания источников когерентных плазмонов — ключевых элементов оптоэлектронных схем будущего. Работа прибора основана на уникальных свойствах ван-дер-ваальсовых гетероструктур — композитов из графена и родственных слоистых материалов. Работа физиков опубликована в журнале Physical Review B.

Плазмон — это псевдочастица, представляющая собой смесь колеблющихся электронов и привязанного к ним электромагнитного поля. С помощью плазмонов можно генерировать, передавать и принимать сигналы в интегральных схемах; плазмоны могут выступать посредниками между электронами и световыми волнами в высокоэффективных фотодетекторах и источниках излучения, в том числе в активно осваиваемом терагерцовом диапазоне. Интересно, что энергия плазмона может быть сосредоточена на расстояниях много меньших длины световой волны: следовательно, работающие на плазмонном принципе приборы гораздо миниатюрнее своих фотонных аналогов. Наиболее «спрессованными» являются плазмоны, привязанные к проводящим плоскостям, и на основе таких плазмонов можно создавать наиболее компактные оптоэлектронные приборы.

Но где же можно найти проводящую плоскость, поддерживающую сверхкомпактные плазмоны? На протяжении уже более чем сорока лет такие объекты создают путем выращивания друг на друге нанометровых слоев полупроводников с близкой кристаллической структурой. При этом определенные слои обогащаются электронами и приобретают хорошую электропроводность. Подобные «слоеные пироги» называются гетероструктурами, и их создание было отмечено Нобелевской премией Жореса Алферова (2000 г.).

Однако выращивание нанометровых слоев является не единственным способом получения плоских полупроводников. В последние годы внимание исследователей сосредоточено на другом, истинно двумерном материале — графене. Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом, и может быть получен простым расслоением кристалла графита. За исследование уникальных электронных свойств графена — а они радикально отличаются от свойств «классических» гетероструктур — выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новоселову в 2010 году была присуждена Нобелевская премия. На основе графена уже были созданы транзисторы для приема сверхвысокочастотных сигналов, быстродействующие фотодетекторы, и даже первые прототипы лазеров. Однако свойства графена можно обогатить еще больше, наложив его на другой слоистый материал с похожим кристаллическим строением. По сути, из материалов, похожих на графен, можно создавать те же «слоеные пироги» — гетероструктуры. Только теперь отдельные их составляющие скрепляются ван-дер-ваальсовыми силами, поэтому такие гетероструктуры называются ван-дер-ваальсовыми.

В своей работе исследователи показывают, что гетероструктура из двух слоев графена, разделенных тонкой прослойкой дисульфида вольфрама, может не только поддерживать компактные двумерные плазмоны, но и генерировать их при приложении электрического напряжения.

«Рассчитываемая нами структура, — рассказал пресс-службе МФТИ Дмитрий Свинцов, ведущий автор исследования, — является, по сути, активной средой для плазмонов. Более привычными примерами активных сред является гелий-неоновая смесь в газовом лазере или полупроводниковый диод в лазерной указке. Проходя через такие среды, свет усиливается, а если поместить активную среду между зеркалами, то среда будет самопроизвольно генерировать свет. Комбинация «активная среда + зеркала» составляет основу лазера, а активная среда для плазмонов является необходимым элементом плазмонного лазера, или спазера. Если активную среду периодически включать и выключать, то можно получать плазмонные импульсы «по заказу», что может найти приложение для передачи сигналов в интегральных схемах. Родившиеся в активной среде плазмоны также могут «отвязываться» от слоев графена и становиться фотонами в свободном пространстве. Это дает возможность создавать перестраиваемые источники излучения терагерцового и дальнего инфракрасного диапазона».

Зонная диаграмма структуры «графен — дисул...

Зонная диаграмма структуры «графен — дисульфид вольфрама — графен», поясняющая принцип генерации плазмонов. Приложение электрического напряжения V приводит к наполнению одного слоя электронами, а в другом при этом образуются свободные места — дырки. Электрон может туннелировать из занятого состояния в свободное (штриховая линия), при этом излишек его энергии идет на рождение плазмона (красная волнистая линия).

Активная среда, конечно же, не является вечным двигателем, и рождающаяся частица (фотон или плазмон) должна откуда-то брать энергию. В гелий-неоновом лазере эта энергия берется от электрона, заброшенного на высокую атомную орбиталь электрическим разрядом. В полупроводниковом лазере эта энергия берется при взаимном уничтожении отрицательных и положительных носителей заряда — электронов и дырок, которые поставляются источником тока. А в предлагаемой двухслойной графеновой структуре плазмон берет энергию от электрона, «прыгающего» со слоя с высокой потенциальной энергией на слой с низкой, как это показано на рисунке. Образование плазмона в результате такого прыжка похоже на образование волн при погружении ныряльщика в воду.

Хотя, говоря более точно, перемещение электрона со слоя на слой больше похоже на просачивание сквозь барьер, а не на прыжок через него. Это явление называется туннелированием, и обычно вероятность туннелирования очень мала уже для нанометровых барьеров. Исключение составляет так называемое резонансное туннелирование, когда каждому электрону из одного слоя уже «подготовлено место» в соседнем слое.

«Рассмотренный нами механизм генерации плазмонов очень похож на принцип работы квантового каскадного лазера, предложенного российскими учеными (Казаринов и Сурис, Физика и техника полупроводников, 1971) и реализованного в США более двадцати лет спустя (Faist and Capasso, Science 1994). В этом лазере фотоны берут энергию от электронов, туннелирующих между слоями арсенида галлия через барьеры из AlGaAs. Наши расчеты показывают, что в этой принципиальной схеме арсенид галлия может быть заменен на графен, а барьеры могут быть сделаны из дисульфида вольфрама. Такая структура сможет генерировать не только фотоны, но и их спрессованные аналоги — плазмоны. Генерация и усиление плазмонов раньше считались чрезвычайно сложной задачей, и предложенная нами структура на основе новых материалов может быть шагом к ее решению», — поясняет Дмитрий Свинцов.

Работа Дмитрия Свинцова, Жанны Девизоровой, Виктора Рыжия и Таичи Отсуджи была удостоена премии фонда Ж.А. Алферова Young Scientist Award на 24-м международном симпозиуме «Nanostructures: Physics and Technology», проходившем в Санкт-Петербурге в июне 2016 г.