石墨烯检测器利用等离子波干扰揭示太赫兹光的偏振

艺术家绘制的相位敏感型太赫兹干涉仪。

物理学家已经创建了一种基于石墨烯的太赫兹辐射宽带探测器。该设备具有在通信和下一代信息传输系统，安全性和医疗设备中的应用潜力。该研究以ACS Nano Letters进行。

新的检测器依靠等离子体波的干扰。这样的干扰是许多技术应用和日常现象的基础。它确定乐器的声音，并导致肥皂泡中的彩虹色以及许多其他效果。电磁波的干扰可通过各种光谱设备来确定物体的化学成分，物理和其他特性，包括非常遥远的物体，例如恒星和星系。

金属和半导体中的等离子波最近引起了研究人员和工程师的广泛关注。像更熟悉的声波一样，发生在等离子体中的声波本质上也是密度波，但它们涉及电荷载流子：电子和空穴。它们的局部密度变化会产生电场，当电场传播通过材料时，该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在不断扩大的区域内推动气体或液体颗粒。但是，等离子波在常规导体中迅速消失。

也就是说，二维导体可以使等离子体波在不衰减的情况下在相对较大的距离内传播。因此，有可能观察到它们的干扰，从而产生有关所讨论材料的电子特性的许多信息。二维材料的等离子技术已经成为凝聚态物理的一个高度动态的领域。

在过去的十年中，科学家们在使用基于石墨烯的设备检测太赫兹辐射方面已经走了很长一段路。研究人员探索了T波与石墨烯相互作用的机理，并创建了原型检测器，其特征与基于其他材料的类似设备的特征相同。

但是，到目前为止，研究还没有关注探测器与明显偏振的T射线相互作用的细节。也就是说，对波极化敏感的设备将在许多应用中使用。这个故事中报道的研究通过实验证明了探测器的响应如何取决于入射辐射的偏振。它的作者还解释了为什么会这样。

该研究的合著者来自MIPT纳米碳材料实验室的Yakov Matyushkin写道：“检测器由一个4毫米宽的硅晶片和一个小千分之五千分之一毫米的石墨烯2组成。石墨烯连接到两个由金制成的平坦接触垫，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，石墨烯层还在顶部与另一个金接触，在它们之间插入了氧化铝的非导电层。”

在微电子学中，这种结构称为场晶体管（图1），其两个侧面触点通常称为源极和漏极，顶部触点称为栅极。

图1。插图（a）显示了该设备的俯视图，其中敏感区域在（b）中放大了。标签S，D和TG分别表示源极，漏极和顶栅。检测器的侧面在（c）中示出。微米（m）中有1,000纳米（nm）。μ

太赫兹辐射是微波和远红外光之间的电磁谱的窄带。从应用的角度来看，T波的一个重要特征是它们穿过生物组织并进行部分吸收，但不会引起电离，因此不会伤害人体。例如，这会将THz辐射与X射线分开。

因此，传统上考虑用于T射线的应用是医学诊断和安全检查。太赫兹探测器也用于天文学。另一个新兴的应用是在太赫兹频率下的数据传输。这意味着新的检测器对于建立5G和6G下一代通信标准可能很有用。

“太赫兹辐射直接对准实验样品，垂直于其表面。这会在样品中产生光电压，可以由外部测量设备通过检测器的金触点吸收光电压。”该研究的合著者之一，他是MIPT纳米碳材料实验室副主任乔治·费多罗夫（Georgy Fedorov）说道。“这里至关重要的是检测到的信号的本质是什么。实际上，它可以有所不同，并且取决于许多外部和内部参数：样品的几何形状，频率，辐射极化和功率，温度等。”

值得注意的是，新的检测器依赖于已经工业生产的石墨烯。石墨烯有两种类型：该材料可以机械剥离或通过化学气相沉积合成。前一种类型具有更高的质量，更少的缺陷和杂质，并且保持了载流子迁移率的记录，这是半导体的关键特性。但是，如今，该行业已经可以大规模地制造CVD石墨烯，这使其成为有志于大规模生产的设备的首选材料。

这项研究的另一位合著者，来自MIPT的Maximim Rybin和俄罗斯科学院普罗霍罗夫综合物理研究所是石墨烯制造商Rusgraphene的首席执行官，他对此发表了这样的看法：“我们观察到等离子体波干扰的原因是CVD石墨烯，这意味着这种基于石墨烯的THz检测器适合工业生产。据我们所知，这是迄今为止对CVD石墨烯中等离子体波干扰的首次观察，因此我们的研究扩展了该材料的潜在工业应用。”

图2。等离子体波在晶体管通道中传播的示意图。

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。波的传播始于通道的两个相对端（图2），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。这些特征意味着该检测器在构建以太赫兹和次太赫兹频率运行的通信和信息传输系统方面可能被证明是有用的。

参考：Yakov Matyushkin，Sergey Danilov，Maxim Moskotin，Vsevolod Belosevich，Natalia Kaurova，Maxim Rybin，Elena D. Obraztsova，Georgy Fedorov，Ilya Gorbenko，Valentin Kachorovskii和ACS 9月的“倾斜度敏感的等离子太赫兹干涉仪”来信。
10.1021 / acs.nanolett.0c02692

这个故事中报道的这项研究是由来自MIPT纳米碳材料实验室的研究人员及其来自莫斯科国立教育大学，俄罗斯科学院艾菲研究所和德国雷根斯堡大学的同事合着的。这项研究得到了俄罗斯基础研究基金会和俄罗斯科学与高等教育部的支持。