新型石墨烯基太赫兹探测器：尺寸更小！

背景

太赫兹技术，是目前备受世界各国科学家广泛关注的前沿科技之一。

1990年之前，人类对太赫兹波的认识很有限。近年来，由于激光技术、量子阱技术、半导体技术的蓬勃发展，为生成太赫兹波提供了稳定、可靠的辐射源，促使太赫兹辐射的产生机理、检测技术、应用技术等方面的研究得以蓬勃发展。

2004年，美国政府将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术”之一。2005年1月，日本更是将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。2005年11月，我国政府专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在太赫兹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发展规划。此外，世界上其他许多国家与地区政府、机构、企业、大学和研究机构都纷纷投入到太赫兹技术研发的热潮之中。

什么是太赫兹波？

太赫兹波，是指频率范围在 0.1～10THz 之间，介于微波和红外线之间的电磁波，这种电磁波对于人眼来说是不可见的。太赫兹波具有穿透性强、安全性高、定向性好、带宽高、时间与空间分辨率高等技术优势。

（图片来源：维基百科）

由于太赫兹波具有这些卓越的特性，太赫兹技术可应用于成像、存储、通信、安检、雷达、武器、天文、医学、农业等诸多领域。之前，笔者介绍过太赫兹技术相关应用案例，例如：

（一）美国麻省理工学院的研究人员利用太赫兹技术，对一本合上的书中的书页内容进行成像，无需打开书，就能阅读书中的内容。

（图片来源：Barmak Heshmat）

（二）荷兰内梅亨大学 FELIX 研究所的研究人员展示出一种可以通过现有光纤网络，有效传输太赫兹频率信号波的技术。

（图片来源：荷兰内梅亨大学）

（三）英国萨塞克斯大学的物理学家团队采用单像素相机与太赫兹波设计出一种技术方案，未来有望开发成可检测爆炸物的机场扫描仪。

（图片来源：参考资料【2】）

然而，与其他众多前沿创新科技一样，太赫兹技术在发展过程中也会面临一些问题与瓶颈。例如，生成太赫兹波的现有辐射源会消耗太多能量，或者需要强冷却。为了解决这一问题，笔者曾介绍过德国凯泽斯劳滕工业大学（TUK）团队开发的一种利用“自旋电流”生成太赫兹波的新方法。

（图片来源：TUK）

然而，任何进行数据传输的系统不仅需要辐射源发送信号，也需要探测器来接收信号。可是，现有太赫兹探测器存在效率低下的问题，原因主要是太赫兹波与检测元件之间尺寸不匹配。晶体管的尺寸为微米级，而太赫兹辐射的典型波长比它长100倍。这样导致了太赫兹波从探测器身边偷偷溜走，没有任何交互。

创新

为了解决上述问题，近日俄罗斯、英国、日本、意大利的科研人员们组成的团队开出一种基于石墨烯的太赫兹探测器。这项研究发表在《自然通信（Nature Communications）》上。

（图片来源：tsarcyanide/MIPT新闻办公室）

技术

1996年，科学家们提议将入射波能量压缩到与检测器相当的体积中。为此，探测器材料将支持特种的“紧凑波”，也称为“等离激元”。它们代表了导电电子与相关电磁场的集体运动，如同风暴来临时海面的海浪被风吹到了一起。理论上，在波的谐振下，这种探测器的效率得到了进一步提升。

实现这样的探测器，比预期的难度还要大。在大多数半导体材料中，等离激元会经历快速衰减。也就是说，由于电子与杂质的碰撞，它们逐渐减弱。石墨烯被认为是一种有前途的解决方案，但是在这之前，它还是不够洁净。

这项研究的论文作者们展示了解决这个长期存在的问题的一种方案：谐振的太赫兹波探测。他们创造出一个光电探测器（如图一所示），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。在这种三明治结构中，杂质被逐出石墨烯薄片之外，使得等离激元更加自由地传播。被金属引线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带来了宽范围的波速调节。

图一：晶体管沟道，由双层石墨烯（BLG）构成，如同三明治一般夹在两个六方氮化硼（hBN）晶体之间。这种结构安装在氧化硅衬底（灰色）之上。太赫兹天线的两个套筒连接在源极与栅极之间，也就是左边与上边的电极（金色）。信号电压在源极与漏极（左边和右边的电极）之间读出。

（图片来源：tsarcyanide/MIPT新闻办公室）

实际上，团队开发出一种紧凑的太赫兹光谱仪，尺寸仅为几微米，可通过电压调谐控制谐振频率。物理学家们也展示了他们的探测器用于基础研究的潜力：在不同频率与电子密度下测量探测器中的电流，揭示出等离激元的特性。

石墨烯基太赫兹探测器（图片来源：参考资料【3】）

价值

论文合著者之一，俄罗斯莫斯科物理技术学院光电二维材料实验室的领头人 Dmitry Svintsov 表示：“我们的设备既可以作为敏感的探测器，也可以作为工作在太赫兹范围的光谱仪，同时也是研究二维材料中等离激元的一种工具。所有这些之前的探测器都有，但是这些探测器却占据了整个光学工作台。我们将同样的功能打包到十来微米的体积中。”

关键字

太赫兹技术、等离激元、石墨烯

参考资料

【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