“三合一”石墨烯基太赫兹探测器问世!

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。

 

据俄罗斯莫斯科物理技术学院(MIPT)官网近日报道,来自俄罗斯、英国、日本、意大利的科学家团队,开发出了一种基于石墨烯的太赫兹探测器。新设备既可充当灵敏的探测器,也可作为工作频率在太赫兹范围的光谱仪使用。

 

 太赫兹波是介于微波和红外线之间的电磁波,具有穿透性强、安全性高、定向性好等优势,有望用于医疗、宇宙探索等领域。但现有太赫兹探测器存在效率低下的问题,主要是因为太赫兹波与检测元件(晶体管)之间尺寸不匹配。晶体管仅百万分之一米,而太赫兹辐射的波长是其100倍,导致太赫兹波从探测器身边溜走。

 

1996年,科学家提出了一个解决办法:将入射波能量压缩到与检测器大小相当的体积内。为此,探测器材料需要支持特种“紧凑波”——所谓的等离激元。从理论上来说,在波的谐振下,这种探测器的效率会得到进一步提升。

 

新设备实际上也是尺寸仅为几微米的太赫兹光谱仪,可通过电压调谐控制谐振频率。此外,它还可用于基础研究:在不同频率与电子密度下测量探测器中的电流,展示出了等离激元的特性。

 

论文合著者之一、莫斯科物理技术学院光电二维材料实验室负责人多米特瑞·斯凡特斯弗表示:“所有这些设备之前都有,但我们将同样的功能打包到了十多立方微米的体积中。”

 

在最新研究中,科学家解决了这个问题。他们制造了一个光电探测器,由封装在氮化硼晶体之间的双层石墨烯组成,并与太赫兹天线发生耦合。在这个“三明治”结构中,杂质被逐出石墨烯薄片之外,使等离激元更自由地传播。被金属铅束缚住的石墨烯片形成了一种等离激元谐振器,而石墨烯的双层结构使波速可在一个宽范围内调谐。

 

笔者认为,实现这种探测器比预期更难。原因在于:在大多数半导体材料中,由于电子与杂质的碰撞,等离激元会快速衰减石墨烯被认为可解决问题,但其还不够洁净。但科学家们能在这此领域上取得一定的成果,正正标志着新材料和先进的设计技术不断地发展。

 

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