Графен может активно поглощать инфракрасное излучение

Исследования показывают, что графен обладает удивительными оптическими свойствами: он способен поглощать более 2% попадающего на него света – а ведь этот материал имеет всего 1 атом толщиной. Но данные ученых из лаборатории IBM еще более удивительны: им удалось выяснить, что графен может поглощать до 40% излучения из дальнего инфракрасного и микроволнового диапазона, что является еще одним подтверждением идеи, по которой графен оценивается как идеальный материал для создания фотонных устройств, а также приборов, работающих в терагерцовом диапазоне.

Графен представляет собой двумерный слой атомов углерода, собранных в гексагональную кристаллическую решетку толщиной всего в 1 атом. После того как он был открыт в 2004 году, ученые со всего мира занялись его изучением и проведением опытов с участием графена, которому прочат большое будущее: его можно применять в целом ряде технологических областей, к примеру, графен может заменить кремний в электронной промышленности. Все это возможно благодаря особым электронным свойствам этого материала. Свободные электроны могут перемещаться внутри графена на большой скорости, почти не испытывая сопротивления. Таким образом, они ведут себя как дираковские частицы, не обладающие массой покоя.

Графен может найти применение и в фотонике, поскольку электроны, которые ведут себя так, будто они не имеют массы покоя, позволяют материалу поглощать световое излучение в очень широком диапазоне частот – от видимого света до инфракрасного и даже микроволнового. В отличие от графена, полупроводники III – V групп таблицы Менделеева не могут работать в таком диапазоне частот. Поэтому изучений свойств графена в инфракрасном спектре имеет очень важное значение для развивающихся применений этого материала в оптоэлектронных приложениях.

В Лаборатории IBM в TJ Watson Research Center (США) до этого уже были проведены работы в этом направлении. Исследователи смогли определить распределение температур, плотность носителей зарядов (электронов и дырок проводимости), а также положение точки Дирака в канале из графена (или точки нейтрального заряда, в которой зона проводимости электронной структуры графена встречается с валентной зоной). Поскольку значение уровня Ферми в графене совпадает с упомянутой выше точкой Дирака, она имеет решающее значение для определения свойств этого материала.

В своей новой работе ученые продвинулись несколько дальше – ими были проведены спектроскопические исследования различных вариантов пластин графена, от многослойных до однослойных, с добавками и без. Используя разные параметры эксперимента, ученые смогли получить новую информацию. В частности, им определить сопротивление листа (поскольку поглощение фотонов в дальнем инфракрасном диапазоне пропорционально оптической проводимости материала).

Исследователи считают, что их работа открывает новые горизонты перед удивительным материалом. Они уже достигли уровня сорокапроцентного поглощения инфракрасного и микроволнового диапазонов; теперь они продолжают работу по поиску новых добавок, которые позволят достичь более высокого уровня поглощения.