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西班牙光子科学研究所发现石墨烯为未来的太赫兹相机带来巨大的推动力
发布时间:2019-05-17 08:34:30 阅读:284

来源:西班牙光子科学研究所(ICFO);电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 崔凯 编译

(左)基于石墨烯的THz光电探测器装置的中心部分的示意图,该装置包含hBN封装的石墨烯通道,位于窄间隙天线结构顶部。通过对左右天线分支施加不同的电压,在石墨烯通道中产生一个pn结,在结的左右两侧具有不相等的塞贝克系数。入射光由间隙上方的天线聚焦,该间隙是产生光响应的地方。(右)THz检测器通过扫描聚焦平面获得的THz焦点测量。Airy图案通过对几个环的观察,表明探测器具有很高的灵敏度。图片来源:ICFO(西班牙光子科学研究所)

    在最近的一项研究中,研究人员开发出一种新型石墨烯光电探测器,可在室温下工作,灵敏度高,速度快,动态范围宽,覆盖了广泛的太赫兹频率范围。研究人员已经对PTE效应如何产生太赫兹诱导的光响应有了深入了解,这对探测器的进一步优化很有价值。

    检测太赫兹(THz)光非常有用,主要有两个原因:首先,太赫兹技术正在成为安全(如机场扫描仪),无线数据通信和质量控制等应用中的关键要素,这仅举了几例。然而,目前的THz探测器具有局限性,包括同时满足灵敏度、速度、光谱范围和在室温下操作的要求。其次,太赫兹光是一种非常安全的辐射类型,由于其光子能量低,其能量比可见光范围内的光子低100倍以上。

    石墨烯材料可用于探测光。与用于光电探测的标准材料(例如硅)相比,石墨烯没有带隙。硅中的带隙可以阻止波长大于1微米的入射光的吸收,从而检测到入射光。相反,对于石墨烯,即使是波长为几百微米的太赫兹光也能被吸收和检测到。基于石墨烯的Hz探测器已经显示出很有前景的结果,但在速度和灵敏度方面,还没有一种探测器比市售的探测器更有效。

    在最近的一项研究中,由ICFO的Frank Koppens教授和前ICFO科学家Klaas-Jan Tielrooij博士领导的ICFO研究人员SebastiánCastilla和Bernat Terres以及国际研究人员合作,已经能够克服这些挑战。他们开发了一种新型石墨烯光电探测器,可在室温下工作,具有灵敏度高,速度快,动态范围宽和覆盖广泛的太赫兹频率范围。

    在他们的实验中,科学家优化了太赫兹光电探测器的光响应机制。他们将偶极天线集成到探测器中,以集中天线间隙区域周围的入射THz光。通过制造100纳米的天线间隙,它们能够在石墨烯通道的光活性区域获得高强度的THz入射光。他们观察到石墨烯吸收的光在石墨烯的pn结处产生热载流子;随后,p-和n-区域中不相等的塞贝克系数通过器件产生局部电压和电流,从而产生非常大的光响应,形成一个高度灵敏的高速响应探测器,具有宽动态范围和广泛的光谱覆盖。

    这项研究的结果有助于开发一种与智能手机内的相机一样便宜的全数字低成本相机系统,因为这种探测器具有非常低的功耗并且与CMOS技术完全兼容。

 
 

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