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石墨烯探测器揭示太赫兹光的偏振
发布时间:2020-11-08 20:34:17 阅读:123

来源:莫斯科物理技术学院;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 于曙超 编译

艺术家绘制的相位敏感太赫兹干涉仪。图片来源:Daria Sokol / MIPT

    物理学家已经创建了一种基于石墨烯的太赫兹辐射宽带探测器。该设备具有在通信和下一代信息传输系统、安全和医疗设备等方面的应用潜力。这项研究发表在ACS Nano Letters上。

    新探测器依赖等离子体波的干扰。干涉是许多技术应用和日常现象的基础。它决定了乐器的声音,并导致肥皂泡中的彩虹色以及其他许多效果。各种光谱设备利用电磁波的干扰来确定物体的化学成分、物理性质和其他特性,包括非常遥远的天体,如恒星和星系。

    金属和半导体中的等离子体波最近引起了研究人员和工程师的广泛关注。与更熟悉的声波一样,等离子体中发生的声波本质上也是密度波,但它们涉及电荷载流子:电子和空穴。它们的局部密度变化产生了电场,它推动其他电荷载流子通过材料传播。这类似于声波的压力梯度在一个不断膨胀的区域如何推动气体或液体粒子。然而,在常规导体中,等离子体波迅速衰减。

    也就是说,二维导体使等离子体波能够在相对较大的距离上传播,而不会衰减。因此,可以观察到它们的干扰,从而获得有关材料电子性质的大量信息。二维材料的等离子体已成为凝聚态物理的一个高度动态场。

    在过去的10年里,科学家们在用石墨烯设备探测太赫兹辐射方面取得了长足的进步。研究人员探索了T波与石墨烯相互作用的机制,并创建了原型探测器,其特性与基于其他材料的类似器件的特性相当。

图1. 插图(a)显示了该设备的俯视图,其中敏感区域在(b)中放大了。标签S、D和TG表示源极、漏极和顶栅极。检测器的侧面在(c)中示出。微米(μm)中有1,000纳米(nm)。图片来源:Daria Sokol / MIPT

    然而,到目前为止,学术界还没有观察到探测器与明显极化的T射线相互作用的细节。尽管如此,对波极化敏感的器件将在许多应用中使用。在这篇文章中报道的研究实验证明了探测器的响应如何取决于入射辐射的极化。其作者还解释了为什么会出现这种情况。

    该研究的共同作者,来自MIPT纳米碳材料实验室的Yakov Matyushkin写道:“该探测器由一个4×4毫米宽的硅片和一小块2×5千分之一毫米大小的石墨烯组成。石墨烯连接到两个由金制成的平面接触垫上,其领结形状使探测器对入射辐射的极化和相位敏感。此外,石墨烯层还在顶部与另一个金触点接触,它们之间有一层非导电氧化铝。”

    在微电子学中,这种结构称为场晶体管,其两个侧面触点通常称为源极和漏极。顶部触点称为门。

    太赫兹辐射是微波和远红外线之间的窄辐电磁光谱。从应用的角度来看,T波的一个重要特征是它们通过活组织并进行部分吸收,但不会导致电离,因此不会伤害身体。例如,这会将太赫兹辐射与X射线分开。

    因此,传统上考虑用于T射线的应用是医学诊断和安全检查。太赫兹探测器也用于天文学。另一个新兴的应用是THz频率的数据传输。这意味着新的检测器可能有助于建立5G和6G下一代通信标准。

图2. 等离子波在晶体管通道中传播的示意图。图片来源:Yakov Matyushkin等 / ACS Nano Letters

    “太赫兹辐射指向一个实验样品,正交地照射到其表面。这会在样品中产生光电压,可通过外部测量装置通过探测器的金触点进行采集,”研究合著者MIPT纳米碳材料实验室副主任Georgy Fedorov这样说道。“关键是检测到的信号的性质。它实际上可以是不同的,它取决于一系列外部和内部参数:样品几何形状、频率、辐射极化和功率、温度等。”

    值得注意的是,新的探测器依赖于已经工业化生产的石墨烯。石墨烯有两种类型:材料可以机械剥落,也可以通过化学气相沉积合成。前者具有较高的质量,较少的缺陷和杂质,并保存了电荷载流子迁移率的记录,这是半导体的关键特性。然而,这正是如今该行业已经可以规模化制造CVD石墨烯,这使其成为有志于大规模生产的器件的首选材料。

    这项研究的另一位合著者,来自MIPT和俄罗斯科学院Prokhorov普通物理研究所的Maxim Rybin,同时也是石墨烯制造商Rusgraphene的首席执行官,他对这项技术有这样的看法:“我们是在CVD石墨烯中观察到等离子体波干扰的,这意味着这种石墨烯的THz探测器适合工业生产。据我们所知,这是迄今为止首次观察到CVD石墨烯中的等离子体波干扰,因此我们的研究拓展了该材料的潜在工业应用。”

    研究小组指出,新探测器光响应的性质与晶体管通道中的等离子体波干扰有关。波传播开始于信道的两端相反,天线的特殊几何形状使器件对检测到的辐射的偏振和相位敏感。这些特征意味着该探测器可以被证明在建立于THz和sub-THz频率下工作的通信和信息传输系统中是有用的。

    这篇文章中报道的这项研究是由来自MIPT纳米碳材料实验室的研究人员及来自莫斯科国立教育大学,俄罗斯科学院艾菲研究所和德国雷根斯堡大学的同事合作的。这项研究得到了俄罗斯基础研究基金会和俄罗斯科学与高等教育部的支持。

 
 

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