27 марта 2013 года, в ФИАНе, состоялись очередные, XXXVII Вавиловские чтения. В рамках этого события с докладом «Новый тип локальных электронных состояний в легированных сплавах на основе теллурида свинца: фундаментальные и прикладные аспекты» выступил профессор физического факультета МГУ Д.Р. Хохлов. В своем докладе он рассказал о необычных свойствах легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца и о том, как эти свойства могут быть использованы для построения чрезвычайно чувствительных фотоприемных систем терагерцового спектрального диапазона.
Терагерцовый диапазон электромагнитных волн является одним из наименее освоенных. Это связано, в основном, с тем, что в этой спектральной области плохо работают как радиофизические методы – со стороны более длинных волн, так и оптические – со стороны более коротких. В частности, чувствительность существующих приемников излучения терагерцового диапазона существенно ниже, чем приемников инфракрасного и радио-диапазонов. С другой стороны, большое количество важных задач во многих сферах деятельности связано с исследованием излучения терагерцового диапазона. Это, например, биомедицинские приложения, космические исследования, и многие другие. Именно терагерцовой спектральной области соответствуют характерные частоты фононов в твердых телах, а также вращательно-колебательные моды тяжелых молекул. Поэтому характерные частоты излучения тяжелых молекул могут дистанционно регистрироваться при наличии высокочувствительных фотоприемных систем данного спектрального диапазона. В частности, большинство взрывчатых веществ состоит из тяжелых органических молекул со своими характерными спектрами поглощения и отражения, мониторинг которых позволит, например, вывести на новый уровень системы безопасности в аэропортах и в других общественных местах.
Большинство современных спектроскопических систем терагерцового диапазона используют метод активной локации, когда исследуемый объект освещается мощным лазерным терагерцовым импульсом, и исследуется сигнал, отраженный от объекта или прошедший через него. Пассивные системы, которые исследовали бы излучение терагерцового диапазона, испущенное собственно объектом, практически отсутствуют. Основная причина этого – малая чувствительность соответствующих приемников излучения. В то же время использование таких систем, безусловно, открыло бы принципиально новые возможности во многих областях деятельности, в частности, медицинские приложения. Одной из важнейших областей возможного применения высокочувствительных приемников терагерцового излучения является терагерцовая астрономия. В рамках этого направления в 2018 году планируется запуск космической терагерцовой обсерватории «Миллиметрон». Проект осуществляется под руководством Астрокосмического центра ФИАН.
Существующие высокочувствительные приемники терагерцового излучения, построенные на основе сверхпроводящих технологий, имеют серьезные ограничения по своему использованию, основным из которых является чрезвычайно низкая рабочая температура, необходимая для обеспечения требуемых параметров фотоприемника – не более нескольких десятков милликельвинов. В докладе были показаны новые возможности, открывающиеся для этих целей при использования легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца.
Свойства этих материалов определяются двумя эффектами. Первый из них – стабилизация уровня Ферми во вполне определенном месте энергетического спектра полупроводника, что приводит к парадоксальному следствию – чрезвычайно высокой пространственной однородности электрофизических свойств материала, которая наблюдается несмотря на высокую степень дефектности полупроводника и на сильное легирование. В частности, при определенных составах сплава уровень Ферми может быть стабилизирован внутри запрещенной зоны, что приводит к появлению полуизолирующего состояния, совершенно нехарактерного для нелегированного материала.
Второй эффект – это задержанная фотопроводимость, наблюдающаяся в этих полупроводниках при низких температурах. Необходимо отметить, что впервые этот эффект наблюдался группой Б.М. Вула в ФИАНе в конце 70-х годов. Эффект заключается в том, что при слабом инфракрасном освещении полупроводника фотовозбужденные носители заряда практически не рекомбинируют, – время их жизни превышает характерное время гелиевого эксперимента. Это приводит к чрезвычайно высокой амплитуде фотоотклика, несмотря на весьма слабую интенсивность падающего излучения.
Часть доклада была посвящена последним результатам, полученным в этой области. В частности, было показано, что спектр фотопроводимости материала простирается далеко в терагерцовую спектральную область. Значительный фотоотклик наблюдался, по крайней мере, до длин волн около 500 мкм. Значение соответствующей энергии кванта излучения существенно ниже любых характерных энергий электронного спектра материала: ширины запрещенной зоны, энергии активации основного примесного состояния, и т.д. Было продемонстрировано, что задержанная терагерцовая фотопроводимость в Pb1-xSnxTe(In) связана с формированием необычных локальных электронных состояний, привязанных не к определенному месту энергетического спектра полупроводника, а к положению квазиуровня Ферми. По мнению профессора Д.Р.Хохлова, «такая ситуация является совершенно нетрадиционной в физике твердого тела, и потому является весьма интересной с фундаментальной точки зрения».
Одной из немногих известных аналогий является появление щели в спектре одноэлектронных возбуждений на уровне Ферми в сверхпроводниках.
Если продолжать аналогию со сверхпроводниками, то было бы естественным предположить, что наличие таких локальных состояний может подавляться магнитным полем, либо протекающим током. В докладе было продемонстрировано, что появление локальных электронных состояний, ответственных за терагерцовую задержанную фотопроводимость, действительно подавляется электрическим током (рисунок 1). В то же время ожидаемого подавления этих локальных состояний магнитным полем не зарегистрировано. Напротив, наблюдается эффект резонансного типа, причем магнитное поле, соответствующее максимуму фотопроводимости, пропорционально энергии кванта возбуждающего терагерцового излучения (рисунок 2).
Использование эффекта задержанной терагерцовой фотопроводимости в реальных фотоприемных устройствах возможно только в случае, если имеется способ быстрого гашения задержанной фотопроводимости. В докладе было продемонстрировано, что приложение к образцу коротких (длительностью около 100 нс) радиочастотных импульсов может полностью погасить задержанную фотопроводимость. В таком случае появляется возможность построить терагерцовое фотоприемное устройство, работающее в режиме периодического накопления и последующего быстрого сброса фотосигнала. В докладе было показано, что в таком режиме величина NEP фотоприемника, работающего при гелиевой температуре, составляет около 10-17 Вт/Гц1/2, что вполне достаточно для построения терагерцовой фотоприемной системы для пассивной локации. Более того, эта система, состоящая из одиночного фотоприемника и оптико-механического сканера, в настоящее время разрабатывается (рисунок 3). Система позволит создавать пассивную терагерцовую «картинку» объекта, находящегося при температуре вблизи комнатной, за время порядка 40 с. Кадр будет содержать примерно 2·104 элементов. Длина волны, на которой будет формироваться изображение, может изменяться от 10 до 350 мкм в зависимости от выбора терагерцового фильтра.
В.А.Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»
11.06.2013
