石墨烯+超材料，今日登上Science！

石墨烯，21世纪新材料之王，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。说人话就是——石墨烯其实就是石墨，只不过它是单层石墨。很多人都认为石墨烯是科学家发明的，其实不是的。应该说是发现的，因为石墨烯本来就存在于大自然中，只是很难把它剥离出单层结构来。

Figure 1. 石墨烯

科学家是如何把石墨烯剥离出来的呢？最早也是用的笨方法。

在2004年，英国的两位科学家将石墨片放置在塑料胶带中，折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。不到6年，他们就获得了诺贝尔奖。2018年，曹源魔角石墨烯的横空出世，解开了石墨烯的新的篇章。

不得不说，石墨烯，不愧是21世纪新材料之王。

除了这种大自然本身存在的石墨烯，21世纪另一种神奇的材料，就是通过人工结构实现超常特性的一大类新型材料——“超材料”。这类材料在基本结构、性能和实现方法上与常规材料完全不同，其各自的优势和劣势也泾渭分明—常规材料源于自然，易于获得而难于设计；超材料正好相反，易于设计，但在很多情况下却难于获得。

Figure 2. 超材料

超材料涉及众多学科领域，如物理、化学、光电子学、材料科学、半导体科学以及装备制造等，是全球最前沿、最具有战略性意义的研究课题。被美国《Science》杂志列入本世纪前10年的10项重要科学进展之一，同时《Materials Today》杂志也称其为材料科学50年中的10项重要突破之一。

当新材料之王与超材料碰撞，会产生什么样的火花呢？

今日最新《Science》以题“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”发表了超材料石墨烯光电探测器的重磅进展。

大家都知道，网线的传输频率对网线的可支持的最大传输速度有着最直接的影响，网线的频率越高，它所能达到的最大传输速率也就越高。

今日《Science》展示了一个>500 GHz、平坦频率响应、基于石墨烯的光电探测器，该探测器在环境条件下跨越200 nm宽的光谱带工作，中心波长适应范围从<1400到>4200 nm。该探测器将石墨烯与超材料完美吸收器结合在一起，并通过单模光纤进行直接照明，这打破了集成光子平台上光电探测器的传统小型化。这种设计允许更高的光功率，同时仍然允许创纪录的高带宽和数据速率。

【工作原理】

石墨烯光电探测器由改进的超材料完美吸收器组成（图1A，B）。它包括金反射器背板、氧化铝间隔层、化学气相沉积(CVD)生长的石墨烯单层、金偶极子天线和氧化铝钝化层。偶极子谐振器与叉指式电接触线相连。

图 1. 艺术家对叉指式石墨烯超材料 PD 的看法

制造结构的扫描电子显微照片以各种放大倍数显示在图2A-D中。在1550 nm平面波照射下的模拟电场分布中（图2E），亮点显示了类似偶极天线的行为。谐振器通过金属接触线连接（图2C)，这不会干扰场模式。图2E的底部面板显示了靠近谐振器的高场。根据现场模拟，通过使用坡印亭定理计算得到的空间吸收分布（图2F）。吸收强烈地集中在示意性添加的相互连接的谐振器附近（图2F）。

为了能够有效地提取产生的局部光激发载流子，研究人员利用了谐振器上的交替接触金属（图1B）。总的来说，吸收最强的位置（图2F）和驱动场最大的位置（图2G）有很好的重叠。因此，该设计保证了较短的提取路径和高效快速的载流子提取。

图 2. 制造的设备和模拟的光学和电子行为

【光照下局部放电】

图3A中提供了该装置的光学显微镜图像（顶视图）；底部面板显示了与电探针接触的设备的侧视图以及与单模光纤的直接光学耦合。超材料石墨烯光电探测器的光谱行为如图3B所示，验证了超材料的共振增强。图3C显示了响应在这五个数量级上的线性行为。没有观察到饱和效应。作者通过激光跳动方案，设备的测量归一化射频 (RF) 功率显示了在测量设置范围内从 2 到 500 GHz 的响应（图3D）。对于 −2.5 ± 1 V 的栅极电压范围，该器件的 RF 响应是平坦的（图3E）。由于实验装置仅限于测量高达 500 GHz 的频率，因此石墨烯光电探测器的真实带宽尚未解决（图3F）。

图 3. 电信波长的设备性能

【超越电信波长】

通过利用石墨烯的零带隙和线性色散实现几乎与光谱无关的吸收，可以轻松改变超材料以增强不同波长的吸收。此外，部署具有垂直取向的附加谐振器的设计可以实现与偏振无关的吸收。通过简单地改变偶极谐振器的长度，可以调整共振和吸收（图4）。除了谐振器尺寸的直接可调性之外，还可以结合其他功能，例如多谐振，例如，可以使用同一检测器进行近红外和中红外光电检测（图4D-G）。

图 4. 光谱可调性和多共振架构

【总结】

本文演示的2至>500 GHz电光带宽光电探测器可与传统PIN光电探测器技术和单行载流子光电二极管相媲美。通过这些设备，研究人员展示了132 Gbit/s的数据速率，这是迄今为止已知的最高石墨烯数据速率。最后，>500 GHz的高带宽和石墨烯与波长无关的吸收使得检测器能够在从1400到4200 nm及以上的窗口中的任何波长下运行。这种新的探测器具有紧凑的占地面积和与CMOS集成的能力，因此可能会满足持续的迫切需求。