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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(shù),是目前備受世界各國科學(xué)家廣泛關(guān)注的前沿科技之一。

1990年之前,人類對太赫茲波的認(rèn)識很有限。近年來,由于激光技術(shù)、量子阱技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)的蓬勃發(fā)展,為生成太赫茲波提供了穩(wěn)定、可靠的輻射源,促使太赫茲輻射的產(chǎn)生機理、檢測技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等方面的研究得以蓬勃發(fā)展。

2004年,美國政府將太赫茲技術(shù)評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一。2005年1月,日本更是將太赫茲技術(shù)列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)”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(nèi)多位在太赫茲領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國太赫茲事業(yè)的發(fā)展方向并制定發(fā)展規(guī)劃。此外,世界上其他許多國家與地區(qū)政府、機構(gòu)、企業(yè)、大學(xué)和研究機構(gòu)都紛紛投入到太赫茲技術(shù)研發(fā)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(shù)優(yōu)勢。

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(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(shù)可應(yīng)用于成像、存儲、通信、安檢、雷達(dá)、武器、天文、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。之前,筆者介紹過太赫茲技術(shù)相關(guān)應(yīng)用案例,例如:

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

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(圖片來源:Barmak Heshmat)

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

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(圖片來源:荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué))

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

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(圖片來源:參考資料【2】)

然而,與其他眾多前沿創(chuàng)新科技一樣,太赫茲技術(shù)在發(fā)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(xiàn)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(yè)大學(xué)(TUK)團(tuán)隊開發(fā)的一種利用“自旋電流”生成太赫茲波的新方法。

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(圖片來源:TUK)

然而,任何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)不僅需要輻射源發(fā)送信號,也需要探測器來接收信號。可是,現(xiàn)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(dǎo)致了太赫茲波從探測器身邊偷偷溜走,沒有任何交互。

創(chuàng)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(tuán)隊開出一種基于石墨烯的太赫茲探測器。這項研究發(fā)表在《自然通信(Nature Communications)》上。

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(圖片來源:tsarcyanide/MIPT新聞辦公室)

技術(shù)

1996年,科學(xué)家們提議將入射波能量壓縮到與檢測器相當(dāng)?shù)捏w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(dǎo)電電子與相關(guān)電磁場的集體運動,如同風(fēng)暴來臨時海面的海浪被風(fēng)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(jìn)一步提升。

實現(xiàn)這樣的探測器,比預(yù)期的難度還要大。在大多數(shù)半導(dǎo)體材料中,等離激元會經(jīng)歷快速衰減。也就是說,由于電子與雜質(zhì)的碰撞,它們逐漸減弱。石墨烯被認(rèn)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(chuàng)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(fā)生耦合。在這種三明治結(jié)構(gòu)中,雜質(zhì)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(jié)構(gòu)帶來了寬范圍的波速調(diào)節(jié)。

圖一:晶體管溝道,由雙層石墨烯(BLG)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。

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(圖片來源:tsarcyanide/MIPT新聞辦公室)

實際上,團(tuán)隊開發(fā)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(diào)諧控制諧振頻率。物理學(xué)家們也展示了他們的探測器用于基礎(chǔ)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。

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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(shù)學(xué)院光電二維材料實驗室的領(lǐng)頭人 Dmitry Svintsov 表示:“我們的設(shè)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(jù)了整個光學(xué)工作臺。我們將同樣的功能打包到十來微米的體積中?!?/p>

關(guān)鍵字

太赫茲技術(shù)、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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