Ученые разработали новый терагерцевый фотодетектор из тонкой сверхпроводящей пленки

Международная команда исследователей с участием ученых из НИУ ВШЭ и МПГУ 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. 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 ученых из МИЭМ НИУ ВШЭ 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, — комментирует Игорь Гайдученко, научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ. — При этом наша технология позволяет получать материалы с идеальной структурой. Она проста в применении и не требует специального оборудования».

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», — комментирует Кирилл Шеин, аспирант и научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.