Детектор среднего и дальнего ИК излучения на основе плоских массивов графеновых нанолент

Предложена принципиальная схема детектора электромагнитных волн среднего и дальнего ИК диапазона частот, основанная на использовании плоских массивов графеновых нанолент различной ширины и длины. Особенностью рассматриваемой схемы является использование для детектирования двух различных механизмов: возбуждение межзонных переходов, присущих графеновым лентам типа «armchair» в данной частотной области, и антенных резонансов поверхностных волн (плазмон-поляритонов). Показано, что совпадение двух резонансов, достигаемое путем соответствующего подбора геометрических параметров нанолент и настройки химического потенциала графена, позволяет существенно усилить сигнал, тем самым обеспечивая альтернативное решение проблемы низкой эффективности резонансных графеновых антенн. В работе предлагается возможный подход к проектированию и анализу таких детекторов, а также обсуждаются способы настройки обоих механизмов.

1. The 2017 terahertz science and technology roadmap / S. S. Dhillon [et al.] // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2017. – Vol. 50, N 4. – Art. 043001 (1–49). https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001

2. Hartmann, R. R. Terahertz science and technology of carbon nanomaterials / R. R. Hartmann, J. Kono, M. E. Portnoi // Nanotechnology. – 2014. – Vol. 25, N 32. – Art. 322001 (1–16). https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/32/322001

3. Batrakov, K. Graphene layered systems as a terahertz source with tuned frequency / K. Batrakov, S. Maksimenko // Phys. Rev. B. – 2017. – Vol. 95, N 20. – Art. 205408 (1–8). https://doi.org/10.1103/physrevb.95.205408

4. Terahertz and infrared detectors based on graphene structures / V. Ryzhii [et al.] // Infrared Phys. And Technology. – 2011. – Vol. 54, N 3. – P. 302–305. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2010.12.034

5. Graphene field-effect transistors as room-temperature terahertz detectors / L. Vicarelli [et al.] // Nature Materials. – 2012. – Vol. 11, N 10. – P. 865–871. https://doi.org/10.1038/nmat3417

6. Maffucci, A. A new mechanism for THz detection based on the tunneling effect in bi-layer graphene nanoribbons / A. Maffucci // Appl. Sci. – 2015. – Vol. 5, N 4. – P. 1102–1116. https://doi.org/10.3390/app5041102

7. Maffucci, A. Carbon-based terahertz resonant antennas / A. Maffucci, S. Maksimenko // Fundamental and Applied Nanoelectromagnetics II. – Dordrtecht, 2019. – P. 175–200. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1687-9_10

8. Tunable terahertz plasmonic sensor based on graphene/insulator stacks / Y. Huang [et al.] // IEEE Photonics Journal. – 2017. – Vol. 9, N 1. – Art. 5900210 (1–10). https://doi.org/10.1109/jphot.2017.2656242

9. Experimental evidence of localized plasmon resonance in composite materials containing single-wall carbon nanotubes / M. V. Shuba [et al.] // Phys. Rev. B. – 2012. – Vol. 85, N 16. – Art. 165435 (1–6). https://doi.org/10.1103/physrevb.85.165435

10. Graphene THz Detector based on Plasmon Resonances and Interband Transitions / A. Maffucci [et al.] // XXXIVth General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (URSI GASS). – 2021. – P. 1–3. https://doi.org/10.23919/ursigass51995.2021.9560421

11. Electrodynamics of carbon nanotubes: Dynamic conductivity, impedance boundary conditions and surface wave propagation / G. Y. Slepyan [et al.] // Phys. Rev. B. – 1999. – Vol. 60, N 24. – P. 17136–17149. https://doi.org/10.1103/physrevb.60.17136

12. Hartmann, R. R. Interband transitions in narrow-gap carbon nanotubes and graphene nanoribbons / R. R. Hartmann, V. A. Saroka, M. E. Portnoi // J. Appl. Phys. – 2019. – Vol. 125, N 15. – Art. 151607 (1–9). https://doi.org/10.1063/1.5080009

13. Tight-binding energy dispersions of armchair-edge graphene nanostrips / D. Gunlycke, C. T. White // Phys. Rev. B. – 2008. – Vol. 77, N 11. – Art. 115116 (1–6). https://doi.org/10.1103/physrevb.77.115116

14. Hidden correlation between absorption peaks in achiral carbon nanotubes and nanoribbons / V. A. Saroka [et al.] // J. Saudi. Chem. Soc. – 2018. – Vol. 22, N 8. – P. 985–992. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2018.03.001

15. Maffucci, A. Number of conducting channels for armchair and zig-zag graphene nanoribbon / A. Maffucci, G. Miano // IEEE Trans. on Nanotechn. – 2013. – Vol. 12, N. 5. – P. 817–823. https://doi.org/10.1109/tnano.2013.2274901