“三合一”石墨烯基太赫兹探测器问世
来源:morion日期:2018-12-28 浏览:1530次

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。

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       新型石墨烯基太赫兹探测器(概念图)。图片来源:MIPT官网

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。

但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。

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。

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。”

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石墨烯,于2004年被从石墨中成功剥离出来。它是一种性能卓越的特殊二维材料,是单层碳原子组成蜂窝状结构,厚度只有人类发丝直径的百万分之一,但强度却胜过钢铁百倍。除此之外,它的导电、导热、透光等性能都非常优秀,一直成为全球各国科学界和工业界关注的热点。笔者介绍过石墨烯在半导体、可穿戴技术、柔性电子、传感器、太阳能、航天能源技术、分子电子等众多领域的应用,及其制备方法和电子特性的研究。

太赫兹泛指频率在0.110THz 范围内、介于微波和红外线之间的电磁波。太赫兹技术,是一个交叉学科的前沿领域,世界上很多国家对这项技术都颇为重视。我国政府在200511月专门召开了“香山科技会议”,邀请国内多位在该领域有影响的院士专门讨论我国太赫兹事业的发展方向,并制定了发展规划。

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太赫兹可以像X光和声波一样,能穿透物体表面成像。另外,太赫兹的频率很高,所以其空间分辨率也很高;又因为其脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。因为不同的化学物质,可以不同程度地吸收不同频率的太赫兹辐射,表现出独特的频率特征,所以太赫兹辐射已被广泛应用于安全检查。此外,太赫兹还可以应用于成像、存储、通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学、无损检测等多个领域。

 

新闻来源:https://mp.weixin.qq.com/s/POYilribE53-hSdJ76lKOw