Новый графеновый материал позволяет создавать фильтры и поляризаторы излучения

В Исследовательском центре им. Томаса Уотсона компании IBM были протестированы образцы нового графенового материала, подходящего для создания ИК-фильтров и линейных терагерцевых поляризаторов.  «Графен интересен прежде всего своими выдающимися электрическими характеристиками, но при этом имеет и ценные оптические свойства, — говорит участник работ Федон Авурис (Phaedon Avouris). — Он, в частности, поглощает излучение в интервале от дальней инфракрасной области до ультрафиолета. Нас же больше всего интересовал терагерцевый [находящийся между инфракрасным и микроволновым] диапазон, поскольку такое излучение может проходить сквозь бумагу, дерево и другие твёрдые материалы и использоваться при конструировании систем безопасности, а устройств для манипулирования терагерцевыми волнами пока явно не хватает». 

Поскольку сами по себе тончайшие одиночные листы графена всё же не подходят для применения в фотонике, исследователи решили объединить их с другим (диэлектрическим) материалом и создать многослойную структуру. Для этого на кварцевую подложку был нанесён 20-нанометровый буферный слой, поверх которого положили графен и в течение 15 минут выдерживали его (с целью допирования) в парах азотной кислоты. Затем графен скрывался следующим буферным слоем, и все операции повторялись заново.  

Этапы изготовления микроструктурированных слоистых образцов. Ниже показана фотография одного из них — массива дисков с a = 3 и d = 2,6 мкм. 

Изготовленный по такой технологии образец с пятью графеновыми слоями, оставаясь оптически прозрачным, очень сильно — на величину, доходившую до 97,5% — ослаблял падающее излучение на частотах ниже 1,2 ТГц. «Материал, блокирующий терагерцевое и микроволновое излучения, пригодится для защиты прецизионной электронной аппаратуры, — рассуждает руководитель исследования Хугэнь Янь (Hugen Yan). — Есть шанс, что он когда-нибудь будет использоваться даже для защиты людей: по данным ВОЗ, излучение в упомянутых диапазонах может представлять опасность для здоровья».

Завершив этот этап эксперимента, авторы перешли к микроструктурированию образцов по методикам электронно-лучевой литографии и травления в плазме кислорода. Такими способами были созданы периодические массивы слоистых дисков и лент — структуры, напоминающие трёхмерные фотонные кристаллы.

При испытаниях выяснилось, что массивы дисков ведут себя подобно узкополосным фильтрам дальнего ИК-диапазона с коэффициентом режекции в ~8,2 дБ, параметры которых зависят от их геометрических характеристик — отмеченных на рисунке выше величин a и d. Наборы графеновых лент шириной в 2 мкм, в свою очередь, успешно выполняли функции линейных терагерцевых поляризаторов.