Skupina terahertzové spektroskopie z FZU pod vedením Petra Kužela popsala ve spolupráci s Matematicko-fyzikální fakultou Univerzity Karlovy chování nositelů náboje v epitaxně rostlých grafenových vrstvách během velmi rané fáze po vybuzení optickým pulzem. Časový vývoj systému je určen nelineární elektronickou odezvou grafenu, která otevírá možnosti pro zrychlení optoelektronických prvků. Výsledky práce byly publikovány v prestižním časopise Advanced Functional Materials.
Grafen je vrstva uhlíkových atomů uspořádaných v šestihranné mřížce připomínající plástev medu. Z velkého souboru takových vrstev je vystavěna například vrstevnatá struktura grafitu, avšak chování grafenové vrstvy o tloušťce jediného atomu se od chování grafitu dramaticky liší. Pro vlastnosti grafenu je velmi podstatné chování nosičů náboje (elektronů a děr). Jejich energetická pásová struktura se odlišuje od typické struktury polovodičů nebo kovů a připomíná spíše energetické schéma fotonů.
V závislosti na energetické poloze tzv. Fermiho hladiny* (kterou lze nastavit např. charakterem materiálu v okolí a dynamicky řídit osvětlením či elektrickým proudem) se může grafen chovat jako vynikající elektrický vodič nebo dobrý izolant. Využití grafenu v elektronice a optoelektronice úzce souvisí s možnostmi ovládání jeho Fermiho hladiny pomocí elektrických, chemických či optických podnětů.
Nahoře: schéma terahertzového optoelektronického měření grafenových vrstev na substrátu karbidu křemíku. Optický impulz (červený) vybudí nosiče náboje a zpožděný ultrakrátký terahertzový impulz (znázorněn modře, 1 THz = 1012 Hz) testuje stav těchto nosičů. Z jeho tvaru můžeme určit spektra vodivosti Δσ, která odrážejí rozložení nosičů náboje v rámci pásové energetické struktury. Vlevo dole: typické spektrum vodivosti obsahující plazmonovou rezonanci. Vpravo dole: z experimentů vyvozená ultrarychlá dynamika teploty nosičů náboje (Tc) a Fermiho energie (µ).
Jelikož volně stojící vrstva grafenu je velmi křehká, a tedy nevhodná k praktickému využití, skupina Petra Kužela zkoumala vrstvy grafenu, které byly epitaxně vyrostlé na nevodivém substrátu karbidu křemíku (SiC). Grafenové vrstvy na karbidu křemíku připravené za určitých podmínek mají vlastnosti, které se přibližují volně stojící vrstvě grafenu. Změnou podmínek růstu je možné vlastnosti vrstev měnit. Avšak ani při největší péči nelze vyrobit perfektně hladký substrát. Reliéf povrchu vždy tvoří soubor nanoskopických teras.
Výzkumníci pak zkoumali tyto grafenové vrstvy za použití ultrakrátkých světelných impulzů pomocí terahertzového optoelektronického měření (viz obr. 1): optický impulz vybudil nosiče náboje a zpožděný ultrakrátký terahertzový impulz testoval stav těchto nosičů ve vzorku. Z tvaru detekovaného impulzu pak bylo určeno spektrum vodivosti, které poskytlo informaci o rozložení nosičů náboje v rámci pásové energetické struktury grafenu.
Naměřena spektra ukázala křivku, která je charakteristická pro plazmonovou rezonanci odpovídající kolektivnímu pohybu nosičů náboje uvnitř vrstvy a souvisí s existencí teras na povrchu substrátu. V měřených grafenových vzorcích byl pozorován vznik a rozpad plazmonů na časové škále jednotek pikosekund (1 ps = 10–12 s). Tato pozorování ukázala, že grafen má velmi rychlou elektronickou odezvu, která se hodí pro vývoj ultrarychlých optoelektronických součástek.
Velmi stručně lze pozorované jevy popsat následovně. Před dopadem impulzu je v grafenovém vzorku přítomna významná rovnovážná koncentrace nosičů náboje, grafenová vrstva je tedy vodivá. Bezprostředně po optickém vybuzení získávají nově generované náboje velmi vysokou teplotu. Náboje si pružnými srážkami vyměňují energii s rovnovážnými nosiči, rychle rekombinují a efektivně předávají svoji energii krystalové mřížce grafenu.
Náboje, které byly vygenerovány světelným impulzem, během první pikosekundy prakticky vymizí a zbudou pouze rovnovážné náboje, avšak jejich teplota se zvýší a Fermiho hladina zaznamená výrazný pokles oproti rovnováze. Následný nelineární časový vývoj plazmonů v grafenu je zcela určen dynamikou Fermiho hladiny vybuzených nosičů náboje prostřednictvím změny jejich teploty Tc (viz obr. 1). K nelineárnímu chování v grafenu v tomto režimu dochází díky jedinečné pásové struktuře grafenu, která umožňuje neobvykle vysokou četnost pružných srážek nositelů náboje. Dohasínání nelineárního režimu pak závisí na stupni neuspořádanosti grafenové vrstvy. Pomocí cílené kontroly neuspořádanosti grafenu je pak možné ladit THz odezvu tohoto materiálu, což je velmi důležité pro jeho optoelektronické aplikace.
*Fermiho hladina určuje pravděpodobnost obsazení stavů s různými energiemi. Obsazování energetických hladin probíhá u elektronů podle Pauliho vylučovacího principu, kdy žádné dva elektrony nemohou být ve stejném stavu. Stavy se zaplňují zdola a při teplotě absolutní nuly odpovídá Fermiho hladina energii nejvyššího obsazeného stavu. Při nenulové teplotě mohou být některé elektrony tepelně vybuzeny do vyšších energetických stavů a Fermiho hladina odpovídá energetickému stavu s pravděpodobností obsazení ½. Poloha Fermiho hladiny je určena dotováním vzorků (tj. přidáváním vhodných příměsí), lze ji nicméně výrazně a velmi rychle ovlivňovat např. ultrakrátkým zábleskem světla.
Kontakt: Doc. RNDr. Petr Kužel, PhD., kuzelp [at] fzu [dot] cz
Citace: V. C. Paingad, J. Kunc, M. Rejhon, I. Rychetský, I. Mohelský, M. Orlita, and P. Kužel, Ultrafast plasmon thermalization in epitaxial graphene probed by time-resolved THz spectroscopy, Adv. Funct. Mater. 31, 2105763 (2021), doi.org/10.1002/adfm.202105763.