莫斯科物理和技术研究所 艺术家绘制的相敏太赫兹干涉仪
信用:达里娅·索科尔/MIPT 物理学家已经创造了一种基于石墨烯的太赫兹辐射宽带探测器
该设备在通信和下一代信息传输系统、安全和医疗设备中具有潜在的应用
这项研究发表在美国化学学会纳米快报上
新的探测器依靠等离子波的干涉
这样的干扰是许多技术应用和日常现象的基础
它决定了乐器的声音，导致肥皂泡中的彩虹色，以及许多其他效果
电磁波的干扰被各种光谱设备所利用，这些设备用于确定物体的化学成分、物理和其他属性，包括非常遥远的物体，如恒星和星系
金属和半导体中的等离子体波最近引起了研究人员和工程师的极大关注
像更熟悉的声波一样，等离子体中出现的声波本质上也是密度波，但它们涉及电荷载体:电子和空穴
它们的局部密度变化会产生一个电场，当电荷载流子在材料中传播时，电场会推动其他电荷载流子
这类似于声波的压力梯度如何推动气体或液体粒子在不断扩大的区域
然而，在传统导体中，等离子体波迅速消失
也就是说，二维导体能够使等离子体波在没有衰减的情况下传播相对较大的距离
因此有可能观察到它们的干扰，产生许多关于所讨论的材料的电子性质的信息
二维材料的等离子体是凝聚态物理中一个高度动态的领域
在过去的10年里，科学家们在用石墨烯基器件探测太赫兹辐射方面取得了长足的进步
研究人员探索了T波与石墨烯相互作用的机制，并创建了原型探测器，其特性与基于其他材料的类似设备相当
图1
插图(a)显示了设备的俯视图，敏感区域在(b)中放大
标签S、D和TG表示源极、漏极和顶栅极
检测器的侧视图如(c)所示
微米(微米)等于1000纳米
信用:达里娅·索科尔/MIPT 然而，到目前为止，还没有研究探测器与明显偏振的T射线相互作用的细节
也就是说，对波的偏振敏感的设备在许多应用中都是有用的
这篇报道中的研究从实验上证明了探测器的响应如何依赖于入射辐射的偏振
它的作者也解释了为什么会这样
来自MIPT纳米碳材料实验室的研究合著者雅科夫·马特尤什金(Yakov Matyushkin)指出:“这种探测器由一个直径为4×4毫米的硅片和一个尺寸为千分之2×5毫米的微小石墨烯片组成
石墨烯连接到两个由金制成的平面接触垫，其蝴蝶结形状使检测器对入射辐射的偏振和相位敏感
除此之外，石墨烯层还在顶部遇到另一个金触点，两者之间夹有氧化铝的非导电层
" 在微电子学中，这种结构被称为场晶体管，其两侧触点通常被称为源极和漏极
顶部触点称为栅极
太赫兹辐射是介于微波和远红外线之间的一个窄谱带
从应用的角度来看，T波的一个重要特征是它们穿过活组织并经历部分吸收，但不会引起电离，因此不会对身体造成伤害
例如，这就把太赫兹辐射与x光区别开来
因此，传统上认为用于x光的应用是医疗诊断和安全检查
太赫兹探测器也用于天文学
另一个新兴的应用是太赫兹频率的数据传输
这意味着新的检测器可能有助于建立5G和6G下一代通信标准
图2
晶体管沟道中等离子体波传播的示意图
信用:Yakov Matyushkin等人
/ACS纳米字母 “太赫兹辐射垂直于实验样品的表面射向实验样品
这项研究的合著者、MIPT纳米碳材料实验室副主任乔治·费多罗夫评论说:“这在样品中产生了光电压，可以通过探测器的金触点由外部测量设备获取。”
“这里最关键的是检测到的信号的性质
它实际上可以是不同的，它取决于许多外部和内部参数:样品几何形状、频率、辐射极化和功率、温度等
" 值得注意的是，这种新型检测器依赖于已经工业化生产的石墨烯
石墨烯有两种类型:这种材料既可以机械剥离，也可以通过化学气相沉积合成
前者质量更高，缺陷和杂质更少，并保持着电荷载流子迁移率的记录，这是半导体的一个重要特性
然而，今天该行业已经可以大规模生产化学气相沉积石墨烯，使其成为大规模生产设备的首选材料
这项研究的另一位合著者，来自MIPT和俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所的马克西姆·雷宾是石墨烯制造商拉斯石墨烯的首席执行官，他这样评价这项技术:“我们在等离子体波干涉中观察到的是化学气相沉积石墨烯，这意味着这种基于石墨烯的太赫兹探测器适合工业生产
据我们所知，这是迄今为止首次在化学气相沉积石墨烯中观察到等离子体波干扰，因此我们的研究扩展了该材料的潜在工业应用
" 研究小组表明，新探测器的光响应特性与晶体管通道中的等离子体波干扰有关
波的传播从信道的两个相对端开始，天线的特殊几何形状使设备对检测到的辐射的极化和相位敏感
这些特点意味着这种探测器可以在太赫兹和亚太赫兹频率的通信和信息传输系统中得到应用
这篇报道中的研究是由来自MIPT纳米碳材料实验室的研究人员和他们来自莫斯科国立师范大学、俄罗斯科学院约夫研究所和德国雷根斯堡大学的同事共同撰写的
这项研究得到了俄罗斯基础研究基金会和俄罗斯科学和高等教育部的支持
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