Детектор субтерагерцового излучения на основе графена



Детектор субтерагерцового излучения на основе графена
Детектор субтерагерцового излучения на основе графена
Детектор субтерагерцового излучения на основе графена
Детектор субтерагерцового излучения на основе графена
Детектор субтерагерцового излучения на основе графена
Детектор субтерагерцового излучения на основе графена
H01L27/14 - содержащие полупроводниковые компоненты, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, коротковолновому электромагнитному или корпускулярному излучению, и предназначенные для преобразования энергии этих излучений в электрическую энергию или для управления электрической энергией с помощью таких излучений (компоненты, чувствительные к излучению, конструктивно связанные только с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 31/14; соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42)

Владельцы патента RU 2697568:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области детекторов электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот с использованием нелинейного плазменного отклика двумерной электронной системы. Сущность изобретения: детектор на основе графена, содержащий нелинейный элемент на наноструктуре с двумерной системой, при этом в качестве двумерного проводящего слоя используется высокоподвижный графен с реализацией нелинейного элемента в виде асимметричных проводящих затворов, с использованием туннельного эффекта, при помощи использования контактной разности потенциалов. Технический результат изобретения заключается в увеличении чувствительности и быстродействия, благодаря рекордной для двумерных систем подвижности в графене при комнатной температуре, что позволяет эффективнее возбуждать релятивистские плазменные возбуждения в двумерной электронной системе. 5 ил.

 

Изобретение относится к области детекторов электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот (0.1 ТГц - 1 ТГц) с использованием нелинейного плазменного отклика двумерной электронной системы в углеродном монослое (графене). Создание компактных быстродействующих матричных детекторов в субтерагерцовом и терагерцовом частотных диапазонах является актуальной научной задачей. Технологии детектирования в данном диапазоне еще далеки от совершенства и имеют множество недостатков. Применение графена для изготовления таких детекторов поможет решить проблему недостаточной чувствительности существующих аналогов, сохраняя при этом все их достоинства. Изобретение может быть применено для визуализации пространственного распределения мощности терагерцового излучения. Потенциальные области применения: неинвазивный контроль качества и дефектоскопия различной продукции, фармацевтика, медицина, пищевая и агротехническая промышленность.

Известен детектор терагерцового излучения, основанный на графене. Устройство представляет собой планарную антенну, в центре которой расположена графеновая гетероструктура. Принцип работы устройства основывается на детектировании изменения температуры, возникающего за счет поглощения образцом электромагнитного излучения. Измерение температуры производится транспортной методикой, путем измерения Джонсоновского теплового шума или термосопротивления. В связи с низкой плотностью состояний, графен обладает низкой теплоемкостью, что позволяет повысить чувствительность и время отклика устройства. Слабое при низких температурах электрон-фононное взаимодействие приводит к низкой теплопроводности, что также повышает чувствительность устройства. Однако это также приводит к слабой зависимости сопротивления от температуры, что представляет собой главную проблему таких устройств. Существующий прототип болометра работает при 0.1 K, а его шумовая эквивалентная мощность при этом достигает 5*10-20 Вт/Гц1/2 при измерении сопротивления, или 1.2*10-19 Вт/Гц1/2 при измерении Джонсоновского шума (Xu Du, Daniel Е. Prober, Heli Vora, Christopher В. Mckitterick. Graphene and 2D materials, Volume 1, Issue 1, ISSN 2299-3134, DOI: 10.2478/gpe-2014-0001, 2014).

Известен еще один детектор терагерцового излучения на основе графена. Изобретение представляет собой графеновые микроленты, сформированные на SiC подложке. Микроленты находятся в контакте с массивом биметаллических электродных линий. Принцип работы устройства основывается на детектировании фотосигнала, усиленного генерируемыми за счет падающего перпендикулярно электродным линиям излучения плазменными волнами. Генерация плазменных возбуждений в терагерцовом частотном диапазоне осуществляется за счет специально подобранного угла между графеновыми лентами и электродными линиями. Частоту плазмонов можно подбирать путем перестройки концентрации носителей тока при помощи затворного напряжения. Продемонстрирован прототип, способный функционировать при комнатной температуре, и детектировать излучение в диапазоне 4-6 ТГц. Однако существенным минусом устройства является тот факт, что в данном рабочем частотном диапазоне многие материалы перестают быть прозрачными, и это сильно сужает область применения устройства (Пат. США 20180047856 А1).

Известен детектор электромагнитного излучения в гигагерцовом и терагерцовом частотном диапазоне. Изобретение представляет собой полупроводниковую гетероструктуру с двумерной или квазидвумерной электронной системой (ДЭС), с искусственно встроенными дефектами. Принцип действия устройства основывается на резонансном возбуждении плазменных волн в структуре с последующим детектированием возникающего при этом фотонапряжения на нелинейном элементе (например, асимметричных проводящих затворов к ДЭС). Работоспособность изобретения была продемонстрирована на примере квантовых ям на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs. Возникающее при этом фотонапряжение позволяло успешно детектировать сигнал вплоть до температур порядка 200 K и диапазоне частот от 1 до 600 ГГц (Пат. США 8772890 В2).

Данное устройство наиболее близко по конструкции и принципу работы к заявляемому детектору, поэтому взято в качестве прототипа.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении чувствительности и быстродействия работы детектора терагерцового излучения за счет использования в качестве плазмонного резонатора новый двумерный материал - графен, в котором благодаря рекордной подвижности эффективнее возбуждается релятивистская плазменная мода.

Для достижения заявленного технического результата в детекторе терагерцового излучения, включающий двумерную электронную систему, выпрямляющий нелинейный элемент в виде асимметричных проводящих затворов и измерительную схему, в качестве ДЭС используется графен, обладающий рекордной для двумерных систем подвижностью электронов при комнатной температуре. Вследствие этого, возможно выполнение условия для наблюдения принципиально новых релятивистских плазмон-поляритонных возбуждений в двумерной электронной системе. Высокая двумерная проводимость, превышающая 240000 см2/Вс, соответствует необходимому режиму При выполнении этого условия изменяется характер Максвелловской релаксации флуктуаций зарядовой плотности. Данное явление носит существенно релятивистский характер из-за конечности скорости распространения электромагнитных колебаний. Другим важным условием возбуждения таких плазмон-поляритонных колебаний является проводящий затвор, расположенный вблизи двумерной электронной системы. Посредством изменения размеров щели между контактами и подзатворной области возможна перестройка частоты релятивистских плазмонов на детектирование определенной частоты излучения. Также, в отличие от хорошо известных двумерных плазмонов, затухание новой релятивистской плазменной моды не определяется обратным временем рассеяния носителей заряда. Благодаря этому данный тип плазменных колебаний может возбуждаться даже при комнатной температуре, когда обычные плазмоны сильно подавлены. Таким образом, становится возможным создавать плазмонные устройства на их основе, не требующие криогенных температур.

Признаки, отличающие предполагаемый детектор от прототипа: использование графена в качестве двумерной системы, к которой формируется проводящий затвор.

На Фиг. 1 изображено схематическое устройство детектора терагерцового излучения на графене для исследования нового типа плазменных возбуждений.

Фиг. 2. Схематичное изображение детектора терагерцового излучения на графене с нелинейным рабочим элементом в виде асимметричных контактов.

Фиг. 3. Схематичное изображение детектора терагерцового излучения с туннельным барьером на одном из контактов в виде гексагонального нитрида бора.

Фиг.4. Схематичное изображение детектора терагерцового излучения с нелинейным рабочим элементом в виде контактов, изготовленных из разных металлов.

Фиг. 5. Схема колебательного контура.

Детектор терагерцового излучения (3) представляет собой планарную наноструктуру, состоящую из графена с двумерной электронной системой (1) и измерительной части (5), к которой методом электронной литографии формируются проводящие затворы (2), на которых происходит выпрямление высокочастотного потенциала плазменных возбуждений (4).

Устройство работает следующим образом: электромагнитное излучение в терагерцовом диапазоне (3) падает на графен с ДЭС (1) с нелинейным рабочим элементом в виде асимметричных проводящих затворов (2). Вследствие этого в системе возбуждаются плазменные колебания (4) в области проводящих затворов (2) (контактов). Между контактами нелинейного рабочего элемента образуется сигнал фотонапряжения, который детектируется при помощи измерительной части (5).

Преобразование переменного потенциала высокочастотной плазменной волны в детектируемое постоянное напряжение возможно благодаря выпрямлению сигнала на неоднородностях ДЭС. Такой скачок одного из параметров ДЭС возможно реализовать несколькими способами: посредством нелинейности вследствие асимметричности проводящих затворов; при помощи туннельного эффекта, когда между одним из контактов и графеном помещается гексагональный нитрид бора; используя нелинейность из-за контактной разности потенциалов.

Существенным преимуществом данного изобретения является возможность изменять частоту возбуждения не только посредством геометрических размеров, но и при помощи изменения концентрации в ДЭС через затворное напряжение. Плазменная частота может быть найдена при помощи модели электрической цепи, содержащей эффективную индуктивность L, эффективную емкость С и эффективное сопротивление R (Фиг. 5), которая образует колебательный контур. При условии слабого затухания резонансная частота и затухание в таком колебательном контуре определяются формулами:

Эффективная емкость С определяется емкостью между проводящих затворов. Индуктивность определяется кинетической индуктивностью носителей заряда в двумерной электронной системе. Кинетическая индуктивность определяется кинетической энергией движения носителей заряда и описывается формулой:

где meff - эффективная масса, l. и W - длина и ширина двумерной электронной системы, ns - плотность носителей заряда в двумерной электронной системе.

Детектор субтерагерцового излучения на основе графена, включающий двумерную электронную систему, выпрямляющий нелинейный элемент и измерительную схему, отличающийся тем, что в качестве двумерного проводящего слоя используется высокоподвижный графен с реализацией нелинейного элемента в виде асимметричных проводящих затворов, с использованием туннельного эффекта, при помощи использования контактной разности потенциалов.



 

Похожие патенты:

Твердотельное устройство формирования изображений включает в себя множество пикселей, включающих в себя узел фотоэлектрического преобразования, первый удерживающий участок, удерживающий заряды, переносимые из узла фотоэлектрического преобразования, второй удерживающий участок, удерживающий заряды, переносимые из первого удерживающего участка, и усилительный узел, выводящий сигнал на основе зарядов во втором удерживающем участке.

Использование: для обработки оптической информации. Сущность изобретения заключается в том, что устройство считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения содержит входную ячейку с емкостным трансимпедансным усилителем с инвертирующим и неинвертирующим входами, выполненным на основе операционного усилителя с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором, столбцовую шину, столбцовый зарядочувствительный усилитель со вторым операционным усилителем и включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатором, дополнительно содержит вторую столбцовую шину, при этом одна столбцовая шина реализована в виде сигнальной столбцовой шины, а вторая столбцовая шина реализована в виде опорной столбцовой шины, емкостный трансимпедансный усилитель выполнен также с входом включения, в составе входной ячейки также выполнены транзистор начала интегрирования, транзистор сброса, первый и второй адресные транзисторы, транзистор начала интегрирования соединен своим истоком с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя, и первой обкладкой накопительного конденсатора, своим стоком транзистор начала интегрирования соединен с катодом фотодиода, затвор транзистора начала интегрирования соединен с входом включения емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся входом включения операционного усилителя, при этом указанные затвор и вход выполнены с возможностью подачи на них управляющего сигнала начала интегрирования, транзистор сброса своим стоком соединен с истоком транзистора начала интегрирования и первой обкладкой накопительного конденсатора, истоком транзистор сброса соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя, и второй обкладкой накопительного конденсатора, затвор транзистора сброса выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса входной ячейки, первый адресный транзистор своим стоком соединен с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя, первой обкладкой накопительного конденсатора, истоком транзистора начала интегрирования, стоком транзистора сброса, исток первого адресного транзистора соединен с сигнальной столбцовой шиной, затвор первого адресного транзистора соединен с затвором второго адресного транзистора, причем затворы первого и второго адресного транзисторов выполнены с возможностью подачи на них сигнала считывания, второй адресный транзистор своим стоком соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя, со второй обкладкой накопительного конденсатора, с истоком транзистора сброса, а исток второго адресного транзистора соединен с опорной столбцовой шиной, неинвертирующий вход емкостного трансимпедансного усилителя, являющийся неинвертирующим входом операционного усилителя, выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, в составе столбцового зарядочувствительного усилителя выполнен второй транзистор сброса, при этом столбцовый зарядочувствительный усилитель выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами, являющимися соответственно инвертирующим и неинвертирующим входами второго операционного усилителя, неинвертирующий вход столбцового зарядочувствительного усилителя соединен с опорной столбцовой шиной, выполненной с возможностью подачи на нее опорного напряжения, инвертирующий вход столбцового зарядочувствительного усилителя соединен с первой обкладкой включенного параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, с сигнальной столбцовой шиной, со стоком второго транзистора сброса, исток второго транзистора сброса соединен со второй обкладкой включенного параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, с выходом столбцового зарядочувствительного усилителя, являющегося выходом второго операционного усилителя, а затвор второго транзистора сброса выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса столбцового зарядочувствительного усилителя.

Использование: для обнаружения излучения. Сущность изобретения заключается в том, что детекторная матрица системы визуализации включает в себя плиточный детектор, плиточный детектор включает в себя матрицу фотодатчиков, включающую в себя множество фоточувствительных пикселов, плиточный детектор дополнительно включает в себя матрицу сцинтилляторов, оптически связанную с матрицей фотодатчиков, плиточный детектор дополнительно включает в себя слой электронных схем или ASIC на подложке, который электрически соединен с матрицей фотодатчиков, слой электронных схем включает в себя множество отдельных и разделяемых областей обработки, при этом каждая область обработки включает в себя предварительно определенное число каналов, соответствующее подмножеству из множества пикселов фотодатчиков, области обработки находятся в электрическом соединении друг с другом, каждая область обработки включает в себя свои собственные электрические цепи опорного напряжения и напряжения смещения.

Настоящее изобретение относится к радиотехнике. Оптически-управляемый ключ содержит: управляющий источник света, фотопроводящий полупроводниковый элемент и линию копланарного волновода, причем управляющий источник света выполнен с возможностью облучения фотопроводящего полупроводникового элемента, линия копланарного волновода состоит из заземляющих участков и центрального проводника, конечные точки которого предназначены для соединения с линией передачи сигнала, причем заземляющие участки расположены с двух сторон в боковом направлении относительно центрального проводника и отделены от него материалом фотопроводящего полупроводникового элемента, причем фотопроводящий полупроводниковый элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.

Изобретение относится к способам повышения эффективности преобразования поглощенной энергии электромагнитных волн светового потока в электрическую энергию фотопреобразователем.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в оптоэлектронных интегральных схемах. Заявленный высоковольтный оптрон содержит фоточувствительный элемент, размещенный в светоизоляционном корпусе, в котором дополнительно установлен тонкопленочный электролюминесцентный конденсатор.

Устройство фотоэлектрического преобразования включает в себя полупроводниковую подложку, имеющую одну главную поверхность, включающую в себя углубленные участки, и изолирующие тела в углубленных участках.

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным приемникам изображения, а более конкретно к инфракрасным неохлаждаемым твердотельным приемникам ИК изображения на основе термопарных сенсоров.
Использование: для питания микроэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения заключается в том, что радиоизотопный элемент электрического питания включает источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и по крайней мере один полупроводниковый преобразователь, при этом полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении.

Изобретение относится к средствам формирования изображений, в частности устройству захвата изображения и системе захвата изображения. Устройство захвата изображения согласно варианту осуществления включает в себя подложку, на которой расположено множество схем пикселей, полупроводниковый слой, расположенный на подложке, первый электрод, расположенный на полупроводниковом слое, и второй электрод, расположенный между полупроводниковым слоем и подложкой.
Изобретение относится к области нанотехнологии, конкретно к способу получения нанокапсул тринитротолуола. Способ характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используют гуаровую камедь, а в качестве ядра - тринитротолуол, при этом тринитротолуол медленно добавляют в суспензию гуаровой камеди в петролейном эфире в присутствии 0,01 г препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 700 об/мин.
Изобретение относится к области нанотехнологии, конкретно к способу получения нанокапсул этилнитрата. Способ характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используют каппа-каррагинан, а в качестве ядра - этилнитрат, при этом этилнитрат медленно добавляют в суспензию каппа-каррагинана в толуоле в присутствии 0,01 г препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 800 об/мин.

Изобретение относится к оптическим сенсорам и может быть использовано для детектирования различных веществ или иных наноразмерных объектов и определения концентрации веществ в очень малых количествах молекул с использованием комбинационного рассеяния света.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к иммунологии, и может быть использована для получения наночастиц из оксида железа, функционализированных ПЭГ. Способ получения наночастиц включает термическое разложение ацетилацетоната железа в присутствии функционализированных молекул ПЭГ или в присутствии функционализированных молекул ПЭГ и бензилового эфира, и при этом температура термического разложения составляет от 80 до 300°С.
Изобретение относится к нанотехнлогии и может быть использовано при изготовлении смазочных, абразивных или изолирующих материалов. Наноалмаз, полученный детонационным синтезом, содержащий 0,15 ммоль/г или более кислотных функциональных групп, позвергают окислительной обработке по меньшей мере одним окислителем, выбираемым из группы, состоящей из хромовой кислоты, хромового ангидрида, дихромовой кислоты, марганцевой кислоты, хлорной кислоты, солей этих кислот и пероксида водорода.

Изобретение относится к лакокрасочной промышленности и может быть использовано для жилых и общественных помещений с повышенными санитарно-гигиеническими требованиями, требующими влажной уборки в процессе эксплуатации, в том числе с применением дезинфицирующих и моющих растворов с сохранением первоначальных свойств антимикробной краски.

Использование: для обеспечения возможности перемещения частиц. Сущность изобретения заключается в том, что элементарный элемент для обеспечения возможности переноса частиц содержит от источника испускания рабочей среды, являющегося частью элементарного элемента, его возбужденные состояния или электромагнитные поля (далее называемые рабочими средами) или участка перемещения рабочей среды в элементарном элементе до источника поглощения рабочей среды, являющегося частью элементарного элемента, или от источника поглощения рабочей среды, являющегося частью элементарного элемента, или участка перемещения рабочей среды до части с источником испускания рабочей среды, ансамбль, поддерживаемый между концом с источником испускания рабочей среды или концом с источником поглощения рабочей среды и внешней стенкой, посредством которой обеспечена защита пучков рабочей среды от воздействия внешней среды или внутри или снаружи которой имеется ноль или более участков управления, модификационных участков, областей реакции, причём эти конструкции поддерживаются с использованием имеющихся структурных элементов, рабочие среды, находящиеся в псевдоодномерном перемещении благодаря тому, что проводящие покрытия поверхностей источника испускания рабочей среды, или части с источником поглощения, или участки перемещения рабочей среды контактируют с областями реакции, и благодаря тому, что приводы, управляющие точной регулировкой регулировочных пластин, которые выполнены с возможностью механически управлять реакционноспособными соединениями и продуктами реакции, существующими в областях реакции вблизи поверхностей источника испускания рабочей среды, или источника поглощения, или участков перемещения, взаимодействуют через области реакций или участки перемещения с рабочими средами из других элементов, включая другие элементарные элементы и другие части, причём элементарный элемент характеризуется тем, что имеет на внешней стенке или в ней поддерживающие или соединительные элементы.

Изобретение относится к способу получения катализаторов с наноразмерными частицами платины и ее сплавов с металлами для катода и анода низкотемпературных топливных элементов и электролизеров, включающему приготовление раствора платинохлороводородной кислоты или смеси платинохлороводородной кислоты с солями металлов в воде или в водно-органическом растворителе, его смешение с порошком дисперсных углеродных или неуглеродных носителей, их смесей и композиций с удельной поверхностью более 60 м2/г, диспергирование полученной смеси.

Изобретение относится к формированию функциональных покрытий на стальной поверхности, обладающих высокой стойкостью к коррозионному разрушению и износу. Способ включает последовательное сверхзвуковое холодное газодинамическое напыление композиционных частиц порошка сверхзвуковой газовой струей на стальную поверхность и микродуговое оксидирование.

Изобретение имеет отношение к способу получения композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане. Способ включает синтез кальцийфосфатных структур на поверхности наноструктурированного титана.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2019-01-11 2019-08-15T12:00:03
Наверх