Лазеры с графеновыми элементами

Материал подготовил Максим Рабчинский

Особые свойства графена стимулируют исследования в области использования этого уникального матерала в лазерах. Некоторые направления исследований близки к коммерческой реализации.

Графен представляет собой двухмерный лист sp2 гибридизованных атомов углерода, формирующих гексагональную решетку и обладающих одним нелокализованным π-электроном, что приводит к наличию уникальных электронных и оптоэлектронных свойств, в частности – линейный закон дисперсии для электронов, что позволяет характеризовать носители заряда в графене как безмассовые Дираковские фермионы. Это является следствием перекрытия волновых функций p_z электронов, энергетический спектр которых располагается вблизи уровня Ферми, перекрывая его, тогда как электроны, формирующие σ-связи локализованы и стабильны. Как результат для идеального образца графена характерно отсутствие локализации носителей зарядов, поскольку электроны и дырки в данном случае не обладают эффективной массой. [1].

Из этого вытекает чрезвычайно высокая подвижность носителей зарядов в графене (порядка 200.000 для графена, полученного методом механического расщепления HOPG [2], 700-4000 для графена, полученного методом CVD [3]) и их высокая динамика релаксации [9]. Следующая особенность графена – линейный закон дисперсии для энергии электронов вблизи энергии Ферми и отсутствие запрещенной зоны. Таким образом, монослойный графен представляет собой полуметалл с нулевой энергетической щелью между зоной проводимости и валентной зоной. Однако стоит отметить, что при наличии химического допирования [4,5] (как пример при получении ОГ графена – пластины графена с ковалентной связью эпоксидных, гидроксильных, карбоксильных и карбонильных групп), при создании графеновых структур с субмикрометровыми размерами, таких как графеновые наноленты [6,7], а также при переходе к двухслойному или многослойному графену [8] происходит образование запрещенной зоны, которая может варьироваться в зависимости от внешних параметров. Поэтому, графен может рассматриваться как материал с настраиваемой шириной запрещенной зоны в достаточно широких пределах при его структурной или химической модификации, а также комбинации данных процессов.

Еще одна особенность электронной структуры графена – наличие плазмонов в широком спектре частот – от ТГц до ИК диапазона и даже в видимом диапазоне частот [13]. Так как частота плазмона зависит от концентрации электронов в элементарной области, то возможность изменения концентрации носителей заряда позволяет изменять частоту плазмонов и поскольку в двухслойном графене наблюдается амбиполярный эффект, позволяющий изменять концентрацию зарядов при наличии внешнего электрического поля, это реализуемо в графеновых системах, расширяя возможности их использования в качестве элементов отражения э.м. волн.

Динамическая проводимость графена является функцией частоты ω, температуры T и химического потенциала μ. Как следствие, оптическая проницаемость графена также является функцией частоты, температуры, химического потенциала графена, а также количества слоев [10,20]. Однако в видимом диапазоне проницаемость графена практически не изменяется в зависимости от данных параметров и обратно пропорциональна количеству слоев. Для одного слоя графена, проницаемость составляет порядка 0,977. Данное значение является очень высоким в сравнении с другими материалами, применяемыми в нынешней оптоэлектронике, как это видно из Рис. 3.

Графеновые образцы, нанесенные на прозрачную подложку, например на кварц, полиметилметакрилат (PMMA, или оргстекло) обладают крайне малой контрастом, в пределах менее 1%, что не позволяет их различить даже при многократном увеличении при их использовании в качестве элементов покрытия оптической системы [21,22]. Показатель преломления графена, также как и проницаемость в видимом спектре зависит от химической функционализации образца, что также позволяет изменять показатель преломления в определенных пределах, численное значение вещественной части близко к 2-2,3 [21,22] для чистого графена и составляет 1,6-1,7 для оксида графена (графена, с эпоксидными и гидроксильными функциональными группами) [23].