СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Изобретение относится к области твердотельной наноэлектроники и может быть использовано для создания нанодетекторов терагерцовых электромагнитных волн, которые могут найти широкое применение в медицине, дистанционном зондировании и широкополосной связи в космосе и для обеспечения безопасности человека, в том числе для борьбы с терроризмом.

Известен способ детектирования электромагнитного излучения в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах с помощью полупроводниковой структуры, содержащей двумерный слой носителей заряда, по меньшей мере, с одним дефектом. В рамках этого способа структуру подвергают воздействию электромагнитного излучения, посредством чего вызывают в ней возбуждение плазмонов (см. патент РФ №2507544, МПК G01V 3/12, опубл. 20.02.2014).

Недостатком данного способа является малый диапазон детектируемых частот 0.1 – 0.6 ТГц.

Известен способ детектирования терагерцового излучения с помощью массива из графеновых наноленточных матриц, размеры которых контролируются с помощью сетки (см. заявку на изобретение Китая №104795411, МПК H01L27/144; опубл. 22.07.2015). Идея способа состоит в том, что под воздействием терагерцового излучения меняется энергетическая щель графена.

Недостатком данного способа является технологическая сложность в измерении энергетической щели низкоразмерных объектов с высокой точностью, что делает обнаружение терагерцового излучения недостаточно надежным.

Для детектирования электромагнитного излучения терагерцового (ТГц) диапазона также используются углеродные нанотрубки (УНТ) (см. патент РФ на полезную модель №186169, МПК B82Y 99/00, B82Y 40/00, H01L 31/0256, опубл. 11.01.2019). В качестве основного механизма детектирования рассматривается широкополосное детектирование за счет затухающих плазменных волн. В этом случае функциональная зависимость отклика от затвора должно повторять G-1*(dG/dVg), где G - проводимость, a Vg - напряжение на затворе. Отметим также возможный вклад термоэлектрического механизма в наблюдаемый отклик. Переменный ток, возникающий под воздействием ТГц излучения, протекает преимущественно между истоком и затвором, что приводит к более сильному нагреву электронной подсистемы в окрестности истока, чем в окрестности стока. Это в свою очередь приводит к возникновению термо-ЭДС в устройствах. Третьим возможным механизмом детектирования ТГц излучения в таких устройствах является диодный эффект, связанный с выпрямлением на барьере, образующемся на границе УНТ - металл. В подобных устройствах все три механизма должны давать вклад одного знака, что приводит к усилению отклика устройства.

Существенным недостатком является невозможность детектировать терагерцовые волны на частотах свыше 2 ТГц.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ детектирования субтерагерцового излучения, заключающийся в направлении потока излучения на преобразователь и регистрации отклика, по которому судят о наличии излучения (см. патент РФ №2697568, МПК B82B 1/00, H01L 27/14, опубл. 15.08.2019). Способ реализуется с помощью графенового детектора, включающего двумерную электронную систему, выпрямляющий нелинейный элемент и измерительную схему. В качестве двумерного проводящего слоя используется высокоподвижный графен с реализацией нелинейного элемента в виде асимметричных проводящих затворов, с использованием туннельного эффекта, при помощи использования контактной разности потенциалов. В качестве преобразователя используется графен, который обладает рекордной подвижностью электронов при комнатной температуре.

Существенным недостатком изобретения является то, что использование асимметричных проводящих затворов приведёт к нагреванию графена, вследствие чего он неизбежно перестанет быть плоским и примет волнообразную форму, а это, в свою очередь, значительно изменит как его механические, так и проводящие свойства.

Техническая проблема заключается в разработке способа детектирования терагерцовых электромагнитных волн, в том числе при высоких температурах.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении диапазона детектируемых частот и рабочих температур за счет повышения устойчивости преобразователя, свойства которого не меняются даже при температурах свыше 1000 К.

Технический результат достигается тем, что в способе детектирования терагерцового электромагнитного излучения, включающем направление потока излучения на преобразователь, регистрацию отклика, по которому судят о наличии излучения, согласно решению, в качестве преобразователя выбирают гибридную структуру, представляющую собой эндоэдральный комплекс К+@C_x, где x=36 или 60 или 80, находящийся в полости одностенной углеродной нанотрубки (ОУНТ) c триммером фуллерена С₆₀, преобразователь располагают таким образом, чтобы поток электромагнитного излучения был направлен поперек оси нанотрубки, а в качестве отклика регистрируют изменение электропроводности гибридной структуры. Дополнительно на преобразователь подают напряжение в диапазоне меньше - 4 В или больше 3 В.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена атомистическая модель гибридной структуры ОУНТ/С₆₀ с заряженным комплексом К+@C₆₀ внутри. Позициями обозначены:

1 – триммер фуллерена С₆₀;

2 – эндоэдральный комплекс К+С₆₀;

3 – углеродная нанотрубка длиной 9,5 нм и диаметром 1.4 нм.

На фиг. 2 изображена спектральная характеристика комплекса К+@C₆₀, полученная в результате быстрого преобразования Фурье зависимости координаты центра масс К+@C₆₀ поперек оси трубки от времени под воздействием температуры 300К. Из фиг. 2 видно, что собственная частота эндоэдрального комплекса составляет 0.132 ТГц.

На фиг. 3 приведён график изменения проводимости нанотрубки при различных расстояниях между комплексом К⁺@C60 и стенкой трубки.

На фиг. 4 представлены вольтамперные характеристики гибридной структуры ОУНТ/С₆₀ с комплексом К⁺@C₆₀ при прямом (U>0) и обратном (U<0) смещениях. Сплошная линия соответствует равновесному положению комплекса К+@C₆₀ внутри начальной потенциальной ямы при отсутствии терагерцового электромагнитного излучения, пунктирная линия – случаю приближению комплекса К+@C₆₀ к стенке ОУНТ на расстояние 0,17 нм.

На фиг. 5 представлена зависимость амплитуды колебания комплекса K+@C60 вдоль плоскости XY от частоты электромагнитного излучения мощностью 21,2 мкВт.

Эндоэдральная наноструктура представляет собой фрагмент ОУНТ типа armchair (10,10) диаметром 1,39 нм и длиной 9,5 нм (Фиг. 1). Вблизи каждого из краев нанотрубки расположены цепочки из трех фуллеренов С₆₀, химически соединенных друг с другом и трубкой. Между цепочками из трех фуллеренов внутри нанотрубки также находится свободный фуллерен С₆₀, который может нести положительный заряд и перемещаться. Химически связанные друг с другом и трубкой три фуллерена С₆₀ создают для свободного фуллерена потенциальные ямы, из которых он не может выйти без внешней вынуждающей силы, но внутри которых он может колебаться. Глубина потенциальной ямы в области левого края нанотрубки составляет Е1=-1,979 эВ, в области правого края -Е2=-1,973 эВ. При температуре 300К собственная частота колебания эндоэдрального комплекса поперек оси трубки К⁺@C₆₀ – 0.132 ТГц (Фиг.2).

Описание методики допирования фуллерена С₆₀ ионами щелочных металлов, способ инкапсуляции эндоэдральной структуры К+@C₆₀ в полость ОУНТ, а также методика синтеза гибридной структуры ОУНТ/С₆₀ приведены в патенте РФ № 2546052.

Комплекс К+@C₆₀ в полости гибридной структуры ОУНТ/С₆₀ чувствителен к широкому диапазону частот 132 ГГц÷2.5 ТГц и даже более благодаря нелинейному поведению этой системы. Откликом на ГГц–ТГц волны является рост амплитуды колебаний комплекса К+@C₆₀ и, как следствие, его сближение со стенкой трубки на расстояние 0.17÷0.19 нм. При этом, если мощность внешнего поля превышает 212 мкВт, то комплекс К+@C₆₀ покидает начальную потенциальную яму и осциллирует между двумя потенциальными ямами. При мощности свыше 1060 мкВт структура разрушается.

Предлагается фиксировать факт взаимодействия с ГГц÷ТГц-волнами по изменению электропроводности гибридной структуры, которое обусловлено перераспределением электронной плотности в моменты приближения эндоэдрального комплекса к стенкам ОУНТ/С₆₀ на расстояние 0,17÷0,19 нм. В эти моменты происходит перетекание электронного заряда с ОУНТ на комплекс К+@C₆₀, что приводит к изменению электропроводности гибридной структуры ОУНТ/С₆₀. График величины относительного изменения электропроводности в зависимости от приложенного напряжения для трех различных величин расстояния между комплексом К+@C₆₀ и стенкой трубки показывает, что с уменьшением расстояния между нанотрубкой и комплексом К+@С₆₀ электропроводность гибридной структуры ОУНТ/С₆₀ становится более чувствительной к приложенному напряжению (Фиг. 3). Наиболее заметный всплеск проводимости наблюдается при величине напряжения 4В в момент приближения К+@C₆₀ к стенкам трубки на расстояние 0.17 нм. В этом случае изменение электропроводности достигает 9%. Надо отметить, что подобные колебания электропроводности могут наблюдаться как в случае вынужденных колебаний в потенциальной яме, так и в случае вынужденных колебаний между потенциальными ямами. Основную роль в этом процессе играет расстояние между комплексом К+@С₆₀ и нанотрубкой.

В результате изменения электропроводности гибридной структуры ОУНТ/С₆₀ меняется и её вольтамперная характеристика (Фиг. 4). Полученные ВАХ при прямом и обратном смещениях показывают, что в области омического участка видимых изменений характеристики не наблюдается. Напротив, в области насыщения (меньше -4В и больше 3В) появляется разброс значений тока. В отдельных точках кривой величина отклонения тока с изменением расстояния достигает 10÷12 мкА. Таким образом, приложение вышеупомянутого напряжения усиливает изменение электропроводности структуры, а значит, упрощает детектирование терагерцового сигнала.

В качестве элемента преобразователя может также использоваться эндоэдральный комплекс К+@C₃₆ и К+@C_80. Фуллерен С₈₀ обладает большим количеством атомов по сравнению с фуллереном С₆₀ и при сближении со стенками структуры ОУНТ/С₆₀ может передать больше количество заряда, что значительнее изменит электропроводность объекта, а значит, упростит процесс детектирования. Фуллерен С₃₆ обладает меньшим количеством атомов по сравнению с фуллереном С₆₀, а значит, изначально находится в потенциальной яме с меньшей энергией, следовательно, привести его в движение может терагерцовое излучение меньшей мощности.

Следствием нелинейности исследуемой системы является существование резонанса на частотах высших гармоник внешней силы. Эти частоты удовлетворяют условию ω=nω₀, где n – целое число, а ω₀ – основная частота. Следует отметить, что амплитуда вынужденных колебаний практически не уменьшается при переходе к частотам высших гармоник вследствие малых размеров потенциальной ямы, внутри которой колеблется комплекс K+@C60 (фиг. 5). В связи с этим детектирование возможно во всем терагерцовом диапазоне (до 10 ТГц). 

Осциллиривание внутреннего эндоэдрального комплекса возможно при температуре вплоть до 1500 К (см. Michail M. Slepchenkov, Anna S. Kolesnikova, George V. Savostyanov, Igor S. Nefedov, Ilya V. Anoshkin, Albert G. Nasibulin, Olga E. Glukhova. Giga - and terahertz range nanoemitter based on a peapod structure // Nano Research. 2015. Vol. 8. I. 8. P. 2595-2602).