Išmeskime akinius ir nematoma paverskime matoma

Praėjusią savaitę besėdint su draugais pasakojau jiems apie ką tik išspausdintą mano bei kolegų (A. Paddubskaya, D. Seliuta, D. Jokubauskis, L. Minkevičius, A. Urbanowicz, I. Matulaitienė, L. Mikoliūnaitė, P. Kuzhir, G. Valušis) straipsnį apie grafeno moduliaciją ir tuomet supratau, jog mes šiems darbams skiriame labai daug laiko, o juos perskaito tik mokslininkai. Tuo tarpu kitiems žmonėms visai neįdomu ir tai suprantama, nes aš irgi nemėgstu skaityti kitų sričių mokslinikų straipsnių, kurie užpildyti man negirdėtais terminais. Tačiau dažnai tie tyrimai iš tiesų yra labai įdomūs ir apie juos turėtų sužinoti daugiau žmonių, todėl nusprendžiau apie mūsų straipsnį papasakoti paprasčiau, tikėdamasi, kad kam nors tai pasirodys verta dėmesio 😊

Kad būtų aiški straipsnio esmė ir gauti rezultatai, iš pradžių segmentais papasakosiu apie atskirus dalykus, iš kurių ir susiklijuoja mūsų tyrimas:

Kas yra terahercinė spinduliuotė?

Terahercinė spinduliuotė yra tokia pat elektromagnetinė spinduliuotė kaip ir regimoji šviesa. Skirtumas tas, jog terahercų bangos yra ilgesnės, todėl jų negalime regėti savo akimis, tačiau galime jas „pamatyti“ pasitelkdami tam skirtus detektorius. Įdomu tai, jog regimoji šviesa negali kiaurai pereiti tokių medžiagų kaip audinys, popierius, kartonas ar plastikai. Tuo tarpu visos šios išvardytos medžiagos yra skaidrios terahercinei spinduliuotei. Vadinasi, jog minėti detektoriai gali pamatyti ką esate pasislėpę po rūbais, panašiai kaip darant rentgeno nuotraukas. Tačiau skirtingai nei rentgeno spinduliuotė, terahercai nėra jonizuojantys, todėl jie nekelia pavojaus žmogaus sveikatai. Dėl šios priežasties terahercinė spinduliuotė yra naudojama daugybėje sričių: oro uostuose tikrinant ar keleiviai po drabužiais nesineša sprogmenų, ginklų ar kitų pavojingų daiktų; gamyboje, kuomet nuskenavus uždaras pakuotes galima patikrinti ar viduje nėra kažko, ko ten neturėtų būti; medicinoje; farmacijoje; komunijacijose (pvz. antivaxerių siaubas - 5G ryšys) ar astronomijoje.

Kas yra difrakcinė optika?

Visi puikiai žino kas yra lęšis, kai kurie juos ant savo nosies nešioja kasdien 😊 Tačiau technologijos nuolatos tobulėja, atitinkamai mažėja ir visi prietaisai. Kadaise buvę milžiniški agregatai dabar telpa mūsų delne, negana to, jie ir veikia daug tobuliau. Lygiai taip pat norisi ir kompaktiškesnių terahercinių sistemų. Kaip jau minėjau, terahercinis vaizdinimas naudojamas oro uostų patikroje, tačiau ar nebūtų daug patogiau, jei ta terahercinė sistema būtų nešiojama? Pavyzdžiui kažkas oro uosto apsaugai praneša apie paliktą įtartiną kuprinę, o šie atėję su nešiojamu aparatėliu praskenuoja kuprinę terahercų pagalba ir nustato kas jos viduje.

Taigi, norint, jog tokios sistemos mažėtų, turi mažėti ir jas sudarantys elementai, pavyzdžiui lęšiai. Išeitis – masyvius lęšius pakeisti į mažus difrakcinius elementus.

Difrakcija yra stebima tada, kai šviesai nerūpestingai sklindant erdve ji susidūria su kliūtimi, o susidūrusi užlinksta. Jei ta kliūtis bus specifinės formos, pavyzdžiui koncentriniai žiedai, šviesa užlinks už šių žiedų taip, kad ji susirinks viename taške, todėl bus galima sakyti, jog šviesa buvo sufokusuota (taip, kaip žemiau esančiame paveikslėlyje). Lygiai taip pat, kaip tą daro įprasti lęšiai, a.k.a akiniai.

Skirtumas tas, jog lęšiai yra gana masyvūs, tuo tarpu tokie fokusuojantys difrakciniai optiniai elementai yra maži ir ploni. Jų gamybai dažniausiai naudojamos silicio plokštelės, kurių storis būna apie 0,5 mm, o žiedeliai yra išpjaustomi lazeriu. Žinoma, drąsiai galima naudoti ir kitas medžiagas, pvz ankstesniame mūsų straipsnyje tyrėme lanksčias zonines plokšteles iš plonyčių grafito lakštų ar net popieriaus (galite paskaityti čia: shorturl.at/cwQ58).

Todėl gana dirbti su akiniais, gaminkime plonas fokusuojančias plokšteles!

Kas yra grafenas?

Grafenas yra vieno anglies atomo storio sluoksnis, kuomet anglies atomai yra isšidėlioję šešiakampiais, panašiai kaip bičių korys.

Tačiau visi daug geriau esatę susipažinę su grafitu, kuris sudaro pieštuko šerdį. Iš esmės grafitas yra sudarytas iš daugybės grafeno sluoksnių. Grafeną atrado ir 2010 m. Nobelio premiją už tai gavo A. Geim ir K. Novoselov, kurie atliko gana paprastą eksperimentą: su pieštuku paspalvino popierių, t.y. ant popieriaus liko grafito sluoksnis. Tuomet ant šio grafito sluoksnio jie priklijavo ir nuplėšė lipnią juostelę, prie kurios prilipo ant popieriaus buvęs grafitas. Daug kartų priklijuodami ir nuplėšdami juostelę nuo likusio grafito, jie po truputį jį plėšė, kol galiausiai ant juostelės liko vieno atomo storio sluoksnelis, kurį ir vadiname grafenu. Žinoma, dabar norit gauti grafeną, nereikia terliotis su pieštuku ir lipnia juostele, nes yra būdai, kuriais vienas grafeno sluoksnis yra užauginamas tiesiogiai ant vario folijos, būtent tokį mes ir naudojame.

Grafenas pasižymi įdomiomis ir išskirtinėmis optinėmis savybėmis, yra geras elektros ir šilumos laidininkas ir pagal savo storį jis yra laikomas stipriausia medžiaga pasaulyje. Todėl mes pamanėme kodėl kuriant optinius difrakcinius elementus nepanaudojus grafeno? Už jį plonesnės ir tam tinkamos medžiagos galbūt jau neberasime.

Atėjo laikas apjungti visus tris aukščiau aprašytus dalykus:

Galbūt galėtume iš grafeno sukurti difrakcinį optinį elementą, kuris sufokusuotų terahercinę spinduliuotę? Reikėtų turimą grafeno sluoksnį persikelti ant silicio plokštelės, nes pats grafenas yra vieno atomo storio, todėl akivaizdu, kad neuždėjus jo ant jokio pagrindo, grafenas kaip girtas kaimynas penktadienio vakarą tiesiog neišsilaikys ir susmuks (psichologinės traumos iš Kėdainių daugiabučio :D ). Silicis yra beveik visiškai skaidrus terahercams, todėl puikiai tinka kaip pagrindas. Tuo tarpu formuojant difrakcinį optinį elementą reikėtų iš grafeno lakšto „išpjaustyti“ žiedus, kurie veiktų kaip kliūtis terahercinei spinduliuotei ir už jų užlinkusi ji susirinktų viename taške (susifokusuotų). Čia ir susidūriame su problema – grafenas taip pat yra beveik visiškai skaidrus terahercinei spinduliuotei, todėl eidama pro tokį iš silicio ir grafeno sudarytą elementą, spinduliuotė taip ir praeitų kiaurai, todėl nematytume jokio fokusavimo efekto.

Aukščiau minėjau, kad grafenas pasižymi keistomis optinėmis savybėmis ir tai mus šioje situacijoje gelbėja. Yra taip, kad paveikdami grafeną elektriškai, chemiškai arba optiškai, galime pakeisti jo pralaidumą terahercinei spinduliuotei. Aš juk nenoriu, kad jums pasidarytų nebeįdomu, todėl nepasakosiu kodėl taip yra :D bet jei norite sužinoti, parašykite asmeniškai 😊 Tęsiant toliau... tam, kad padarytume grafeną mažiau pralaidų terahercams, mes pasirinkome jį paveikti optiškai. Tai yra labai labai paprastas metodas – bandinį su grafenu apšvietėme kitu lazeriu. Lazerio šviesa apšviečia silicį ir grafeną, taip išlaisvindama jų elektronus ir sugeneruodama daug laisvai judančių krūvininkų. Dalis silicyje atsiradusių laisvų krūvininkų perbėga į grafeną. Tokiu būdu pasikeičia optinis grafeno laidumas ir jis tampa mažiau skaidrus terahercams. Kaip pavyzdys: Jūs esate šviesos fotonas, kambarys yra grafenas, o jame esantys žmonės yra laisvieji krūvininkai. Jie kambaryje bus nedaug žmonių, jūs galėsite laisvai pereiti nuo vieno kambario galo iki kito. Tuo tarpu jei kambarys bus užpildytas žmonėmis, judėti jame bus daug sunkiau, nes minia jums trukdys.

Taigi, jei ant silicio esantys grafeno žiedai praleistų mažiau terahercinės spinduliuotės, jie veiktų kaip kliūtis, t.y. turėtume difrakcinį elementą, kuris sufokusuoja terahercinę spinduliuotę. Toks efektas, kai apšvietę lazeriu grafeną, sumažiname jo pralaidumą, vadinamas optine moduliacija. Kuo labiau sumažinamas pralaidumas, tuo didesnis moduliacijos gylis.

Ką dar naujo pamatėme atlikdami eksperimentus? Kadangi grafenas yra vos 0.3 nm (metrą padalinkite į 3 milijardų dalių) storio, jo negalime pamatyti plika akimi. Norint patikrinti ar ant bandinio yra užkeltas grafeno sluoksnis ir kokia yra to sluoksnio kokybė, visuomet naudojama Ramano spektroskopija. T.y. spektrometru ištyrus bandinį, gauname spektrą, pagal kurį galime nustatyti ar jame yra grafenui būdingos linijos.

Anksčiau esu terahercine sistema vaizdinusi bandinius su grafenu ir žinau, kad grafenas gautuose vaizduose nėra matomas arba matomas labai labai neryškiai, kuomet nėra aišku ar ten tikrai jis. Tačiau dabar bevaizdinant bandinį ir tuo pačiu apšviečiant jį papildomu lazeriu, sumažinome grafeno pralaidumą, todėl gautame vaizde galima išskirti, kad ant bandinio yra užkeltas grafenas. Kuo didesnis optinės moduliacijos gylis, tuo aiškiau matome grafeno sluoksnį.

Pabaigoje pavyko pagaminti ir jau minėtą grafeno difrakcinį elementą. Tačiau grafeno taip paprastai lazeriu nesupjaustysi, jis daug bjauresnis ir lengvai nepasiduoda. Jo žiedus suformuoti yra gana sunku, tam reikia daugybės etapų naudojant chemiją ir litografiją. Po maždaug pusmečio pavyko pagaminti tokį elementą, tačiau iki jo veikimo dar reikės padirbėti, kadangi atsiranda papildomų niuansų :D Tačiau apačioje esančiame terahercinio vaizdinimo metu gautame paveikslėlyje galite pamatyti šį grafeno difrakcinį elementą. Kadangi jis buvo apšviestas lazeriu, matomame vaizde galite aiškiai įžvelgti koncentrinius grafeno žiedus 😊

Kol kas tokia trumpa straipsnio esmė. O visą straipsnį galite rasti čia: https://doi.org/10.1063/5.0074772