查尔姆斯理工大学François Joint和马里兰大学Howard D. Drew等–与石墨烯光电探测器匹配的太赫兹天线阻抗

开发在室温下工作的低功耗、高灵敏度太赫兹(THz)波段的光电探测器是光电子学中的一个重要挑战。在这项研究中，本工作介绍了一种基于碳化硅衬底上的准独立式双层石墨烯的光电效应探测器，设计用于太赫兹频率范围。本工作的探测器性能取决于准光学耦合方案，该方案集成了一个非球面硅透镜，以优化太赫兹天线和石墨烯p-n结之间的阻抗匹配。在室温下，本工作实现了小于300pw /Hz的噪声等效功率。通过阻抗匹配分析，本研究通过两个耦合电容器耦合了一个平面天线与石墨烯p-n结，该结平行插入天线的纳米间隙。通过调整电容和天线臂的长度，本研究将天线的最大红外功率吸收调整到特定频率。本研究的材料的灵敏度、光谱特性和可扩展性使其成为未来在室温下工作的远红外探测器的理想候选者。

图1.(a)利用BLG中PTE效应作为整流机制的太赫兹偶极子天线。(b)说明天线电气连接的示意图，其中两个天线臂之间产生光电压(V_PTE)，太赫兹场集中在天线纳米间隙。电压V_{gate 1、2}控制间隙两侧的载流子密度。(c)天线等效电路模型。

图2:(a)天线的输入电阻和电抗由等效电路模型计算，当匹配到600 GHz的BLG p-n结时。在阻抗匹配条件下，天线的最大吸收功率出现在谐振频率附近，这也通过FEM模拟得到验证，同时绘制在(b)中。

图3. 偶极天线(a, c, e)和贴片(b, d, f) PTE探测器在室温下的输运特性。(a, b)两个顶栅极上电压的函数图，显示了四个不同的区域，对应于不同的掺杂结构:p-n, p-p, n-p和n-n。(c, d)在没有太赫兹激励的情况下，对栅极电压的直流输运响应度，以伏特/瓦(V/W)表示。(e, f)在不存在太赫兹激励的情况下，噪声电压与栅极电压的关系图。

图4. 显示PTE的贴片天线和偶极天线的响应率图和NEP谱。(a, b)贴片天线和偶极天线赫兹响应率图，各自具有光热电效应的6倍对称特征。(c)天线增强响应谱的显示。在(a, b)的响应率图中，用圆圈表示了NEP和h – z频谱所使用的栅极电压集。(d)示出在W/Hz1/2中偶极子和贴片天线探测器在最佳栅极电压配置下测量的天线优化NEP。从电路模型中计算出的天线增强的并发图提供了两种类型的天线，以及不匹配的天线PTE检测器(控制)的NEP和响应性。

相关研究成果由查尔姆斯理工大学 François Joint和马里兰大学Howard D. Drew等人2024年发表在ACS Applied Electronic Materials (链接:https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c00870)上。原文：Terahertz Antenna Impedance Matched to a Graphene Photodetector