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新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

背景

太赫茲技術,是目前備受世界各國科學家廣泛關注的前沿科技之一。

1990年之前,人類對太赫茲波的認識很有限。近年來,由于激光技術、量子阱技術、半導體技術的蓬勃發展,為生成太赫茲波提供了穩定、可靠的輻射源,促使太赫茲輻射的產生機理、檢測技術、應用技術等方面的研究得以蓬勃發展。

2004年,美國政府將太赫茲技術評為“改變未來世界的十大技術”之一。2005年1月,日本更是將太赫茲技術列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首。2005年11月,我國政府專門召開了“香山科技會議”,邀請國內多位在太赫茲領域有影響的院士專門討論我國太赫茲事業的發展方向并制定發展規劃。此外,世界上其他許多國家與地區政府、機構、企業、大學和研究機構都紛紛投入到太赫茲技術研發的熱潮之中。

什么是太赫茲波?

太赫茲波,是指頻率范圍在 0.1~10THz 之間,介于微波和紅外線之間的電磁波,這種電磁波對于人眼來說是不可見的。太赫茲波具有穿透性強、安全性高、定向性好、帶寬高、時間與空間分辨率高等技術優勢。

新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

(圖片來源:維基百科)

由于太赫茲波具有這些卓越的特性,太赫茲技術可應用于成像、存儲、通信、安檢、雷達、武器、天文、醫學、農業等諸多領域。之前,筆者介紹過太赫茲技術相關應用案例,例如:

(一)美國麻省理工學院的研究人員利用太赫茲技術,對一本合上的書中的書頁內容進行成像,無需打開書,就能閱讀書中的內容。

新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

(圖片來源:Barmak Heshmat)

(二)荷蘭內梅亨大學 FELIX 研究所的研究人員展示出一種可以通過現有光纖網絡,有效傳輸太赫茲頻率信號波的技術。

新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

(圖片來源:荷蘭內梅亨大學)

(三)英國薩塞克斯大學的物理學家團隊采用單像素相機與太赫茲波設計出一種技術方案,未來有望開發成可檢測爆炸物的機場掃描儀。

新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

(圖片來源:參考資料【2】)

然而,與其他眾多前沿創新科技一樣,太赫茲技術在發展過程中也會面臨一些問題與瓶頸。例如,生成太赫茲波的現有輻射源會消耗太多能量,或者需要強冷卻。為了解決這一問題,筆者曾介紹過德國凱澤斯勞滕工業大學(TUK)團隊開發的一種利用“自旋電流”生成太赫茲波的新方法。

新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

(圖片來源:TUK)

然而,任何進行數據傳輸的系統不僅需要輻射源發送信號,也需要探測器來接收信號。可是,現有太赫茲探測器存在效率低下的問題,原因主要是太赫茲波與檢測元件之間尺寸不匹配。晶體管的尺寸為微米級,而太赫茲輻射的典型波長比它長100倍。這樣導致了太赫茲波從探測器身邊偷偷溜走,沒有任何交互。

創新

為了解決上述問題,近日俄羅斯、英國、日本、意大利的科研人員們組成的團隊開出一種基于石墨烯的太赫茲探測器。這項研究發表在《自然通信(Nature Communications)》上。

新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

(圖片來源:tsarcyanide/MIPT新聞辦公室)

技術

1996年,科學家們提議將入射波能量壓縮到與檢測器相當的體積中。為此,探測器材料將支持特種的“緊湊波”,也稱為“等離激元”。它們代表了導電電子與相關電磁場的集體運動,如同風暴來臨時海面的海浪被風吹到了一起。理論上,在波的諧振下,這種探測器的效率得到了進一步提升。

實現這樣的探測器,比預期的難度還要大。在大多數半導體材料中,等離激元會經歷快速衰減。也就是說,由于電子與雜質的碰撞,它們逐漸減弱。石墨烯被認為是一種有前途的解決方案,但是在這之前,它還是不夠潔凈。

這項研究的論文作者們展示了解決這個長期存在的問題的一種方案:諧振的太赫茲波探測。他們創造出一個光電探測器(如圖一所示),由封裝在氮化硼晶體之間的雙層石墨烯組成,并與太赫茲天線發生耦合。在這種三明治結構中,雜質被逐出石墨烯薄片之外,使得等離激元更加自由地傳播。被金屬引線束縛住的石墨烯片形成了一種等離激元諧振器,而石墨烯的雙層結構帶來了寬范圍的波速調節。

圖一:晶體管溝道,由雙層石墨烯(BLG)構成,如同三明治一般夾在兩個六方氮化硼(hBN)晶體之間。這種結構安裝在氧化硅襯底(灰色)之上。太赫茲天線的兩個套筒連接在源極與柵極之間,也就是左邊與上邊的電極(金色)。信號電壓在源極與漏極(左邊和右邊的電極)之間讀出。

新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

(圖片來源:tsarcyanide/MIPT新聞辦公室)

實際上,團隊開發出一種緊湊的太赫茲光譜儀,尺寸僅為幾微米,可通過電壓調諧控制諧振頻率。物理學家們也展示了他們的探測器用于基礎研究的潛力:在不同頻率與電子密度下測量探測器中的電流,揭示出等離激元的特性。

新型石墨烯基太赫茲探測器:尺寸更小!

石墨烯基太赫茲探測器(圖片來源:參考資料【3】)

價值

論文合著者之一,俄羅斯莫斯科物理技術學院光電二維材料實驗室的領頭人 Dmitry Svintsov 表示:“我們的設備既可以作為敏感的探測器,也可以作為工作在太赫茲范圍的光譜儀,同時也是研究二維材料中等離激元的一種工具。所有這些之前的探測器都有,但是這些探測器卻占據了整個光學工作臺。我們將同樣的功能打包到十來微米的體積中。”

關鍵字

太赫茲技術、等離激元、石墨烯

參考資料

【1】https://mipt.ru/english/news/new_t_wave_detector_uses_waves_of_the_electronic_sea_in_graphene

【2】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b00653

【3】http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07848-w

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