莫斯科物理和技术研究所 图1
具有金属光栅的石墨烯基晶体管
荣誉:由研究人员提供 来自莫斯科物理和技术研究所(MIPT)和瓦列夫物理和技术研究所的俄罗斯研究人员已经证明了太赫兹辐射在商用石墨烯中的共振吸收
这是朝着设计高效的太赫兹探测器迈出的重要一步，以实现更快的互联网和对x光身体扫描的安全替代
研究结果发表在《物理评论应用》上
石墨烯光电 自从安德烈·海姆和科斯亚·诺沃塞洛夫因研究石墨烯独特的电子性质而获得2010年诺贝尔物理学奖以来，人们对这种材料的兴趣从未减弱
石墨烯确实是二维的:它由一层一个原子厚的碳组成，这是它的性质如此惊人的原因之一
它很薄，但机械强度很强，甚至氦原子也不能渗透，导电和导热性能非常好
石墨烯中电子的高迁移率使其成为超快光电探测器的一种有前途的材料，包括工作在太赫兹范围内的光电探测器
太赫兹辐射，也称为T波，同样难以产生和检测
这就产生了“太赫兹间隙”的概念，它指的是大约0
电磁频谱中的1-10太赫兹频段
在这个范围内没有有效的装置来产生和探测辐射
然而，T波对人类来说非常重要:它们不会伤害身体，因此可以在医学扫描中取代x光
此外，T波可以使无线网络更快，并为天文学研究解开一个研究不充分的宇宙辐射带
尽管石墨烯具有很大的光电探测潜力，但它的单层本身只能吸收大约2
3%的外部辐射，这对于可靠的检测是不够的
解决这个问题的一种方法是在石墨烯附近强烈定位电场，迫使电磁波与石墨烯电子耦合，并激发共振
电磁场和传导电子产生的集体波被称为表面等离子体激元
等离子体共振的相应现象是由于表面等离子体波的激发而增强的光吸收
不幸的是，这种现象在用平面波照射的导体的连续薄片中没有观察到
与光子相比，等离子体波的波长太短了，这就是为什么这两种波很难同步
为了解决这种差异，在石墨烯薄膜上放置了一个金属光栅
它像一把小梳子，齿距不到一微米
石墨烯:期望与
现实 许多技术可用于生产石墨烯
它们在最终产品质量和劳动强度方面有所不同
称赞石墨烯中高电子迁移率的研究人员经常淡化这种材料的制造难度
最高质量的石墨烯是通过机械剥离产生的
这包括将一块石墨放在两条胶带之间，然后在多次迭代中逐渐撕下更薄的层
在某个时候，石墨烯的碎片——也就是单层石墨——出现了
这种“手工制作”的石墨烯具有应用设备的最佳特性，例如由MIPT、莫斯科国立师范大学和曼彻斯特大学的研究人员创建的基于封装石墨烯的共振T波探测器
不幸的是，通过机械剥离制造的石墨烯片只有几微米宽，需要几个月的时间才能生产出来，并且最终对于串行设备设计来说过于昂贵
有一种更简单、可扩展的石墨烯合成替代技术，叫做化学气相沉积
它包括在一个特殊的熔炉中分解气体——通常是甲烷、氢气和氩气的混合物
该过程导致在铜或镍基底上形成石墨烯膜
得到的石墨烯比机械剥离的石墨烯具有更差的特性和更多的缺陷
但是化学气相沉积是目前最适合扩大器件生产的技术
俄罗斯物理学家开始测试这种商业级石墨烯是否足以激发太赫兹等离子体共振，这将使它成为一种有效的T波探测器材料
“实际上，化学气相沉积法生产的石墨烯薄膜并不均匀
像多晶体一样，它由许多融合的颗粒组成
每一个都是一个有序的区域，具有完全对称的原子图案
该研究的合著者、MIPT大学研究生埃琳娜·蒂托娃说:“晶界和缺陷使得使用这种石墨烯变得非常困难。”
该团队花了一年多的时间在该研究所的共享研究设施中心掌握化学气相沉积石墨烯的工作
与此同时，来自实验室理论部门的同事确信不会观察到等离子共振
原因是共振可见性是由所谓的质量因子决定的——也就是说，在电子遇到晶格缺陷之前，场经过了多少个周期
理论估计预测，化学气相沉积石墨烯中频繁的电子缺陷碰撞限制了非常低的品质因数
也就是说，石墨烯中的高电子迁移率不是由于罕见的电子碰撞，而是由于低质量的电子，这使得它们能够快速加速到高速
理论和实验 尽管有悲观的理论预测，这篇论文的作者还是决定继续做这个实验
他们的决心得到了回报:在化学气相沉积合成的石墨烯中，吸收光谱显示出指示等离子共振的峰值
“问题是，并非所有的缺陷都是相同的，在直流测量和太赫兹吸收测量中，电子会与不同的缺陷碰撞，”研究主管德米特里·斯万佐夫评论道，他是MIPT二维光电材料实验室的负责人
“在DC实验中，电子在从一个电触点到另一个电触点的途中将不可避免地遇到晶界
但是当暴露在T波下时，它将大部分在单一颗粒内波动，远离它的边界
这意味着削弱DC电导率的缺陷实际上对T波探测是“安全的”
" 另一个谜与共振等离子体激发的频率有关，这与以前存在的理论不一致
结果发现它与金属光栅的几何形状有着意想不到的联系
研究小组发现，当放置在石墨烯附近时，光栅(图1中用橙色表示)改变了等离子体场的分布
这导致了“梳齿”下的等离子体局域化，梳齿的边缘充当了等离子体的镜子
研究人员提出了一个非常简单的理论来描述这一现象，该理论基于与固态物理中的紧束缚模型的类比
该理论在不借助拟合参数的情况下很好地再现了实验数据，并可用于优化未来的T波探测器
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