英文原题：Monolithic metamaterial integrated graphene terahertz photodetector with wavelength and polarization selectivity
通讯作者：赵自然，清华大学
作者： Meng Chen (陈猛), Yingxin Wang (王迎新), Ziran Zhao (赵自然)
背景介绍
电磁波的频谱与偏振态携带与物理作用和材料属性相关的重要信息，传统基于滤波器和偏振片的测量系统存在结构复杂、成本昂贵等问题，因此，开发能够同步捕捉这些信息的小型化甚至片上集成系统对于原位传感和表征具有重要意义。另一方面，处于电子学和光子学过渡区域的太赫兹波段蕴含着丰富的光谱信息，具有巨大的科学意义、应用价值和战略价值，对这一电磁波段进行探测与感知一直以来都是热点研究领域，也是难点问题。
图1. 超材料-石墨烯单片集成太赫兹探测器结构与工作原理
文章亮点
近日，清华大学赵自然研究员在ACS Nano上发表了超材料与石墨烯相结合实现太赫兹波波长与偏振敏感探测的研究工作。利用超材料结构的光场调控与局域场共振特性，一方面提高了探测器的光热转化效率，器件对2.52 THz入射波的吸收率达到89%，并获得近80倍的局域场增强（图1）；另一方面对石墨烯的载流子输运和热电特性进行调控，实现了石墨烯Seebeck系数从-80~60 μV/K之间的连续调节，并在沟道中构筑p-n结构，进一步优化热电转化效率，最终完成了对太赫兹波的高灵敏快响应探测（图2）。
图2 双栅调控下探测器的载流子输运特性与光热电响应
传统热探测器不具备光谱探测能力，难以分辨物品成份，更无法获取光谱信号蕴含的偏振信息。通过全新设计的结构，超材料-石墨烯复合探测器具备优秀的波长选择和偏振灵敏探测能力。2.52 THz/3.11 THz的双色成像（图3）和偏振成像（图4）实验表明，该探测器具备辨别材料成份的能力（图3f、3g），同时还能揭示待测样品在偏振性质上的特征（图4g）。这对促进太赫兹技术在物质识别、无损检测等领域应用具有重要意义。
图3. 双色成像实验
图4. 偏振选择成像实验
总结/展望
研究人员创新地提出了一种超材料-石墨烯复合型器件，在单片结构上集成了太赫兹波的光强探测、波长选择与偏振敏感探测功能。利用超材料光学性质的超高设计自由度以及石墨烯中热载流子辅助光热电效应的超宽谱、电可控特性，器件在具有正交偏振的两个目标波长下表现出共振增强的太赫兹响应。基于该器件的多色成像和偏振分辨成像实验结果验证了通过片上集成系统实现多功能太赫兹感测的可行性。
相关论文发表在ACS Nano上，清华大学博士后陈猛与副研究员王迎新为文章的共同第一作者，赵自然研究员为通讯作者。
通讯作者信息：
赵自然 研究员
赵自然，1977年出生于辽宁省铁岭市，1994年考入清华大学本硕博连读，2004年获博士学位，现任清华大学工程物理系研究员、博士生导师、核电子学及控制团队负责人、危爆物品探测技术国家工程研究中心副主任、粒子技术与辐射成像教育部重点实验室副主任。赵自然长期潜心电磁波探测与智能感知研究，突破多项国产安检装备“卡脖子”技术，引领了相关技术发展并实现从科研到产品的转化，创造经济效益近10亿元。他首创毫米波精准感知体制，主持研制了国产毫米波人身安检仪，应用于30多个国家的机场和海关，并牵头与美国、德国、俄罗斯等国专家制定毫米波人体成像领域首个国际标准（IEC 63391）；提出了实现智能电磁感知所必需的数据获取、处理、重建、识别等算法，实现一系列国产安检装备的自主可控；提出了太赫兹光热电探测技术，创制高灵敏原型器件，并获得最优宽谱响应。获国家科技进步奖创新团队、北京市科技进步奖一等奖等重要科技奖励10项，授权发明专利78项，入选多项人才计划。近三年作为通讯作者在Science Advances、Advanced Functional Materials、科学通报等期刊发表多篇研究论文。
出版信息：
ACS Nano 2022, ASAP
Publication Date: September 21, 2022
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07968
Copyright © 2022 American Chemical Society
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