Группа ученых из России и Австрии продемонстрировала, что взаимодействие между плазмонными колебаниями в наноструктурированном графене приводит к сильному сдвигу спектра поглощения света в дальнем инфракрасном диапазоне. Данные разработки позволяют моделировать спектры плазмонов для применения их в оптоэлектронике и биосенсорике.

Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Photonics.

Плазмоны — это, коллективные возбуждения электронов в твердых телах. Возможность изменять их свойства электрическим полем в низкоразмерных материалах таких как графен, делает их перспективными для использования в различных оптоэлектронных устройствах: сенсорах, детекторах, источниках излучения и многих других.

Плазмонные спектры в изолированных нанолентах (узких полосках графена) уже хорошо изучены. Однако, для эффективной работы в реальных оптоэлектрических устройств требуется максимальное заполнение площади подложки графеном, а именно размещение как можно большего количества нанолент на единицу длины. До недавнего времени оптические спектры таких систем описывались приближенно, как система невзаимодействующих друг с другом плазмонов в отдельно взятой наноленте. Такой подход давал ошибку более 10% при вычислении частоты основной моды плазмонных колебаний в изолированной наноленте и исключал возможность для исследования более тонких эффектов, имеющих место в графене, например, радиационного уширения спектров поглощения.

Группа ученых, в состав которой вошли физики из Сколтеха, возглавившие проект, проводили планирование эксперимента и разработку теоретической части исследования, а сотрудники Технологического института Вены (Австрия), проводившие сами эксперименты, обнаружила, что электрическое взаимодействие плазмонов в графене приводит к сильному красному сдвигу спектра поглощения по сравнению со спектром плазмона в изолированной наноленте.

Также было показано, что спектры поглощения нанолент заметно уширены в результате обратного переизлучения поглощенной энергии. Учет данной поправки позволяет очень точно определять параметры графена, из которого сделаны наноленты, такие как уровень Ферми и времена рассеяния носителей зарядов. Приведенный в статье метод анализа спектров поглощения может быть использован для исследования тонких эффектов, влияющих на проводимость графена и других двумерных материалов, например, электрон-электронного взаимодействия, электронной или дырочной локализации, вызванной наличием дефектов и пр.

Образцы графена, использованные в работе были изготовлены в компании Graphenea (Испания).

“Спектры поглощения графена за счет взаимодействия плазмонов покрывают дальний ИК диапазон (энергии фотонов 10 меВ — 200 меВ), который в свою очередь совпадает с колебательными спектрами большинства биологических молекул. Это открывает возможности для проектирования и изготовления биосенсоров, основанных на графене ,”-рассказывает ведущий исполнитель исследования, сотрудник Сколтеха Вячеслав Семененко.