Терагерцовое излучение позволит обнаружить неизвестные свойства графена и углеродных нанотрубок

Исследователи из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН и Российского университета дружбы народов экспериментально изучили плазмон-поляритоны, появляющиеся на поверхностях различных материалов при тепловой стимуляции (термостимулированные поверхностные плазмон-поляритоны, ТППП). Выяснилось, что подобные плазмон-поляритоны можно использовать для исследования характеристик новых материалов, не поддающихся изучению обычными методами. Соответствующая статья опубликована в журнале Infrared Physics & Technology. ТППП — разновидность тепловых электромагнитных волн. Они появляются на поверхности металлического тела (проводника), покрытого тонким слоем диэлектрика (изолятора). Термостимулированными их называют потому, что они возникают за счет коллективных колебаний электронов на поверхности проводника, неизбежных при его нагреве. При этом изначально плазмон-поляритоны «плоские», а в нормальную объемную электромагнитную волну они превращаются лишь на стыке проводника с диэлектриком. Распространение тепловых электромагнитных волн по металлической поверхности прямо зависит от ее конкретных параметров — размеров, шероховатости, температуры и многих других. Поэтому характеристики ТППП позволяют точно установить данные параметры для самых разных материалов. Особенно перспективен этот метод там, где другие способы исследования недостаточно эффективны, например, для графена и нанотрубок на основе углерода. Авторы новой работы вначале создали теоретическую модель, описывающую возбуждение ТППП, а затем провели серию экспериментов, в которых попытались подтвердить или опровергнуть параметры своей модели. Эксперименты показали, что интенсивностью и спектром излучения ТППП вполне можно управлять. Они прямо зависят от температуры и длины образца проводника, на поверхности которого возникают. Это значит, что по характеристиками теплового излучения можно точно определить температуру объекта (впрочем, это давно известная и уже используемая особенность теплового излучения), а кроме того — сделать выводы о свойствах такой поверхности. Что особенно важно, на краю образца стабильно возникает длинноволновое излучение терагерцового диапазона. Оно затухает медленнее, чем обычное инфракрасное излучение, которое используется в пирометрии. Из этого следует, что терагерцовым излучением можно точно фиксировать даже такие температуры, которые обычный пирометр «не берет». Например, терагерцовое излучение нормально работает с температурами жидкого азота и гелия — до сих пор недоступными для стандартной пирометрии. При исследовании материалов, свойства которых меняются при сильном понижении температуры, терагерцовый пирометр может быть очень полезен, отмечают исследователи. Параметры поверхностных волн любой длины зависят не только от температуры поверхности и ее длины, но и от наличия или отсутствия на поверхности тонких пленок, свойства которых отличаются от основной массы материала. Это значит, что поверхностные плазмон-поляритоны будут полезны и при изучении полимерных пленок и пленок биологического происхождения, нанесенных на поверхность проводника. Поверхностные плазмон-поляритоны соответствующие излучению инфракрасного диапазона хорошо распространяются по графену и углеродным нанотрубкам. На данный момент зависимость проводимости графена от температуры считается очень перспективным направлением исследований, важным для использования этого материала в электронике.