Nanomechanische Detektoren für Terahertz-Strahlung auf Graphenbasis

• Antragsteller: Professor Dr. Kirill Bolotin
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449506295

Graphen ist ein einzigartiges Material zum Nachweis von Strahlung im Terahertz (THz) -Bereich. Erstens weist Graphen einen Plasmon-Mode im THz-Bereich auf. Das Absorptionsmaximum dieses Mode kann über ein elektrostatisches Gating gesteuert werden. Aus diesem Grund können Detektoren auf Graphenbasis den spektralen Gehalt der THz-Strahlung auflösen. Zweitens ist die thermische Masse von Graphen sehr klein. Dies bedeutet, dass bereits eine geringe Menge an absorbiertem Licht die Temperatur und damit die elektronischen und mechanischen Eigenschaften von Graphen erheblich verändert. Infolgedessen erreichen Graphen-THz-Detektoren eine hohe Empfindlichkeit, möglicherweise bis hin zu einzelnen Elektronen. Das Verständnis der Detektionsmechanismen ist jedoch unvollständig, da mehrere kritische Prozesse, einschließlich Streufrequenz, Strahlungsfrequenz und Elektronen-Phonon-Streung, dieselbe Größenordnung haben. Zusätzliche Komplikationen ergeben sich aus der Wechselwirkung von Graphen mit dem Substrat. Dies führt zu einer zusätzlichen Wärmeableitung, Dotierung des Kanals und Abschirmung von Elektron-Elektron-Wechselwirkungen.In diesem Projekt verwenden wir erstmals freistehendes Graphen als Plattform für die Detektion von Terahertz-Strahlung. Zu den Vorteilen von freistehendem Graphen gehören eine geringe ladungsträgerstreuung, das Fehlen eines unkontrollierten Screenings und die Fähigkeit, einen neuen, rein mechanischen Detektionsmechanismus zu implementieren. Im ersten Teil des Projekts untersuchen wir einen konventionelleren Ansatz zur THz-Detektion, bei dem die absorbierte Strahlung durch Messung der Photospannung / des Photostroms detektiert wird. Wir werden den Effekt eines reduzierten dielektrischen Screenings auf freistehende Graphenproben untersuchen und dann diese Effekt verwenden, um die Nachweisempfindlichkeit und den Qualitätsfaktor der Plasmonresonanz zu verbessern. Als nächstes werden wir kontrollierbar zerknitterte hängende Proben untersuchen. Es wird erwartet, dass der zerknitterte THz-Absorptionspeak eine Erweiterung des Erfassungsbereichs und eine wellenlängenspezifische Erfassung ermöglicht. Im zweiten Teil des Projekts untersuchen wir einen neuartigen Ansatz zur THz-Bolometrie, bei dem eine durch THz-Absorption verursachte Temperaturänderung durch Messung des Einflusses auf die mechanische Resonanzfrequenz von NEMS-Bauteil (Suspended Graphene Nanoelectromechanical) erfasst wird. Zu den Vorteilen dieser Proben gehören eine hohe Empfindlichkeit und ein einfaches Multiplexen von Detektorsignalen, wodurch Detektormatrizen entworfen werden können.Das Projekt basiert auf der Synergie zwischen den Experten für Graphen-THz-Photodetektion (Fedorov-Gruppe) und den Experten für Graphen-Nanomechanik und elektrischen Transport (Bolotin-Gruppe). Die jüngsten Ergebnisse beider Gruppen bildeten die Eckpfeiler des Projekts - abstimmbare und empfindliche Detektion von THz-Strahlung durch Graphen, ultrahigh mobility in Graphen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Georgy Fedorov, Ph.D., bis 3/2022