Разработан новый терагерцевый фотодетектор из тонкой сверхпроводящей пленки

Международная команда исследователей создала новый фотодетектор из тонкой сверхпроводящей пленки, который способен обнаруживать слабое излучение терагерцевого диапазона. Это важно для изучения космических объектов, создания беспроводных широкополосных систем связи, а также спектроскопии. Исследование опубликовано в журнале Nano Letters, сообщает пресс-служба НИУ ВШЭ.

Сверхпроводящие болометры на горячих электронах (Superconducting Hot-Electron Bolometer) — тип чувствительных фотодетекторов, которые позволяют регистрировать слабое электромагнитное излучение терагерцевого диапазона.

Они используются в астрономии для изучения космических объектов, включая звезды, галактики и космическое микроволновое излучение, а также востребованы в системах безопасности и медицинской диагностики, так как позволяют визуализировать скрытые объекты с разрешением до сотен микрометров.

Когда светочувствительный элемент такого детектора поглощает электромагнитное излучение, его материал локально нагревается, и образуются горячие электроны, кинетическая энергия которых выше средней кинетической энергии электронов в материале. Образование горячих электронов приводит к изменению сопротивления светочувствительного элемента, которое можно измерить как электрический сигнал.

Существующие коммерческие сверхпроводящие болометры с горячими электронами делаются на основе пленок, изготовленных методом магнетронного напыления. Технология не позволяет получить материал тоньше нескольких нанометров, а качество детектора напрямую зависит от качества напыления.

Международная команда исследователей при участии российских ученых предложила использовать более тонкий материал и другой метод нанесения светочувствительного элемента фотодетектора. Следуя примеру нобелевских лауреатов Андрея Гейма и Константина Новоселова, которые получили графен с помощью обычной липкой ленты, авторы исследования получили сверхтонкие пленки диселенида ниобия, отрывая от куска материала атомные слои с помощью полимерного скотча.

«У нас была большая международная коллаборация специалистов по фотодетекторам и экспертов в области двумерных материалов. Мы объединили наши знания и опыт и создали чувствительный и компактный детектор терагерцевого излучения толщиной всего в несколько атомных слоев диселенида ниобия, что в 10 000 раз тоньше листа офисной бумаги. При этом наша технология позволяет получать материалы с идеальной структурой. Она проста в применении и не требует специального оборудования», — рассказал Игорь Гайдученко, научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ.

Авторы исследования также изучили, как диселенид ниобия (NbSe2) реагирует на терагерцевое излучение. Исследователи смотрели, как нагревается материал, когда на него падает электромагнитная волна, и как меняются свойства детектора в зависимости от окружения — подложки и электродов, так как двумерные материалы чувствительны к тому, что их окружает. Также ученые определили механизмы, которые ограничивают чувствительность и быстродействие детектора.

Ученые подчеркивают, что это первая работа по созданию болометрического детектора терагерцевого излучения, которая показала, что в будущем такое устройство может стать лучше существующих коммерческих решений.

«Мы показали, что на основе предложенной технологии можно создать болометрический детектор терагерцевого излучения, близкий по характеристикам к существующим коммерческим аналогам», — прокомментировал Кирилл Шеин, аспирант и научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ.