Терагерцовый ближнепольный отклик слоёв графена и структур на его основе / Трухин В.Н., Мустафин И.А., Лебедев С.П., Baldycheva A., Bandurin D.A.

Abstract

На протяжении последних лет пристальное внимание уделяется исследованию взаимодействия терагерцового излучения со структурами на основе углеродных нанотрубок и графена [1-3]. В первую очередь это связано с активным поиском новых материалов для создания дешевых, быстрых и высокочувствительных детекторов терагерцового (ТГц) излучения, функционирующих при комнатной температуре. Недавние исследования графена продемонстрировали перспективность этого материала как основы для создания элемента оптоэлектронных устройств [4] ТГц диапазона. Как известно, графен обладает сильным плазмонным откликом на ТГц частотах, что обусловлено как высокой плотностью, так и малой коллективной эффективной массой свободных носителей заряда [5]. Поэтому весьма актуальным является исследования взаимодействия электромагнитного излучения в ТГц спектральном диапазоне с зондом АСМ вблизи графена. Настоящая работа посвящена исследованию взаимодействия ближнепольной компоненты терагерцового электромагнитного поля с монослойным и многослойным графеном с использованием терагерцового ближнепольного микроскопа. Для получения пленок графена использовался метод термического разложения поверхности SiC [6]. Многослойный графен синтезировался на металлической подложке методом химического газофазного осаждения (CVD) с последующим переносом на подложку кремния, поверхность которой была окислена. В качестве микроструктуры на основе монослоя графена исследовалась транзисторная структура, представляющая собой полоску графена шириной несколько микрон [7]. Терагерцовый безапертурный ближнепольный микроскоп, используемый в данной работе, представлял собой когерентный ТГц спектрометр с временным разрешением с интегрированным в него атомно-силовым микроскопом на базе сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) NanoEducator. Зонды изготавливались методом электрохимического травления провода вольфрама и были охарактеризованы в растровом электронном микроскопе. Были исследованы волновые формы терагерцового импульса, возникающего в результате рассеяния терагерцового излучения зондом, ближнее поле которого модифицируется в результате взаимодействия с образцом. Экспериментально было показано, что сила взаимодействия ближнепольной компоненты терагерцового электромагнитного поля с многослойным графеном имеет по порядку ту же величину, как и в случае взаимодействия с поверхностью металла Au. Оказалось, что сила взаимодействия ближнепольной компоненты терагерцового электромагнитного поля с монослойным графеном на SIC значительно ниже. Было обнаружено, что в спектре ТГц излучения, рассеянного на системе «зонд + монослой графена на SiC», существуют особенности, которые отсутствуют в спектре исходного ТГц излучения. В области 1.2- 1.6 ТГц присутствуют как усиленные, так и новые пики. Для транзисторной структуры на основе монослоя графена ТГц ближнеполный отклик становился больше, а в спектре появились резонансные линии, которых не было ни в спектрах ближнепольного терагерцового отклика для Au, ни в спектрах для не структурированных слоев графена. Возможно это обусловлено, как уже отмечалось ранее, сильным плазмонным откликом на терагерцовых частотах и проявлением интерференции плазмонов в графеновой полоске.