石墨烯探測器利用等離子體波的干涉揭示了太赫茲光的偏振

2020-10-16 16:30:20 711 views
摘要

物理學家已經基於石墨烯創造了太赫茲輻射的寬頻探測器。該設備在通信和下一代信息傳輸系統、安全和醫療設備方面具有應用潛力。

石墨烯探測器利用等離子體波的干涉揭示了太赫茲光的偏振

藝術家渲染的相敏太赫茲干涉儀。資料來源:Daria Sokol/MIPT新聞辦公室

物理學家已經基於石墨烯創造了太赫茲輻射的寬頻探測器。該設備在通信和下一代信息傳輸系統、安全和醫療設備方面具有應用潛力。這項研究發表在ACS納米快報上。

新的探測器依靠等離子體波的干擾。干擾就是許多技術應用和日常現象的基礎。它決定了樂器的聲音,產生了肥皂泡中的彩虹顏色,以及許多其他效果。電磁波的干擾被各種光譜設備所利用,這些設備用來確定物體的化學成分、物理和其他屬性——包括非常遙遠的星體,比如恆星和星系。

金屬和半導體中的等離子體波最近引起了研究人員和工程師的廣泛關注。就像我們更熟悉的聲波一樣,等離子體中出現的波本質上也是密度波,但它們包含了載流子:電子和空穴。它們局部密度的變化會產生電場,當它在材料中傳播時,電場會推動其他載流子。這類似於聲波的壓力梯度在不斷膨脹的區域內推動氣體或液體粒子。然而,等離子體波在傳統導體中衰減很快。

也就是說,二維導體使等離子體波能夠在相對較大的距離上傳播而不衰減。因此,觀察它們的干擾成為可能,從而得到有關材料的電子特性的許多信息。二維材料的等離子體已經成為凝聚態物理的一個高動態領域。

在過去的10年里,科學家們在用石墨烯設備探測太赫茲輻射方面取得了長足的進步。研究人員已經探索了t波與石墨烯相互作用的機制,並創建了原型探測器,其特性與基於其他材料的類似設備不相上下。

然而,到目前為止,研究還沒有看到探測器與明顯極化t射線相互作用的細節。也就是說,對電磁波偏振敏感的設備將會在許多應用中得到應用。在這個故事中報道的研究實驗證明了探測器的響應如何依賴於入射輻射的偏振。報告的作者還解釋了為什麼會出現這種情況。

雅科夫研究的合著者Matyushkin Nanocarbon初期實驗室的材料сommented:「探測器由一個矽片4×4毫米寬,和一塊小的石墨烯2×5/1000毫米大小。石墨烯連接到兩個由黃金製成的平板接觸墊上,其領結形狀使探測器對入射輻射的偏振和相位敏感。除此之外,石墨烯層在頂部還會遇到另一個金觸點,在它們之間夾層了一層不導電的氧化鋁。」

在微電子學中,這種結構稱為場晶體管(圖1),其兩端觸點通常稱為源極和漏極。頂部接觸稱為門。

石墨烯探測器利用等離子體波的干涉揭示了太赫茲光的偏振

圖1所示:插圖(a)顯示了器件的頂視圖,在(b)中放大了敏感區域。標籤S、D和TG表示源、漏和頂柵。檢測器的側截面如圖(c)所示。一微米(橫米)有1000納米(nm)。資料來源:Daria Sokol/MIPT新聞辦公室

太赫茲輻射是介於微波和遠紅外線之間的窄幅電磁波譜。從應用的角度來看,t波的一個重要特徵是,它們通過活組織並經歷部分吸收,但不產生電離作用,因此不會對人體造成傷害。例如,這就將太赫茲輻射與x射線區分開來。

因此,傳統上考慮的應用t射線是醫療診斷和安全篩查。太赫茲探測器也用於天文學。另一個新興的應用是THz頻率的數據傳輸。這意味著新型探測器可以用於建立5G和6G下一代通信標準。

太赫茲輻射直接照射在實驗樣品上,與樣品表面呈正交關係。納米碳材料MIPT實驗室副主任、該研究的合著者Georgy Fedorov評論道。「關鍵是探測到的信號的性質是什麼。它實際上可以是不同的,它的變化取決於一系列的外部和內部參數:樣品的幾何形狀、頻率、輻射極化和功率、溫度等等。」

值得注意的是,這種新型探測器依賴的是工業上已經生產出來的石墨烯。石墨烯有兩種類型:這種材料既可以通過機械剝離,也可以通過化學氣相沉積合成。前者具有較高的質量,較少的缺陷和雜質,並保持著載流子遷移率的記錄,這是半導體的一個關鍵特性。然而,CVD石墨烯行業目前已經可以規模化生產,這使得它成為有望大規模生產的設備的首選材料。

也是該項研究的合作者之一,馬克西姆Rybin從初期和普羅霍羅夫普通物理研究所俄羅斯科學院的石墨烯的首席執行官製造商Rusgraphene技術,他這樣說:「這一事實CVD石墨烯,我們觀察到等離子體波干涉,意味著這些石墨烯太赫茲探測器適合工業生產。據我們所知,這是迄今為止在CVD石墨烯中首次觀察到等離子體波干擾,因此我們的研究拓展了該材料的潛在工業應用。」

石墨烯探測器利用等離子體波的干涉揭示了太赫茲光的偏振

圖2:電漿波在晶體管通道中傳播的示意圖。供稿:Yakov Matyushkin等人/ACS Nano Letters

研究小組指出,這種新型探測器的光響應特性與晶體管通道中的等離子體波干擾有關。波的傳播開始於通道的兩端(圖2),天線的特殊幾何結構使得器件對探測到的輻射的偏振和相位敏感。這些特性意味著探測器可以被證明在建立在太赫茲和亞太赫茲頻率下工作的通信和信息傳輸系統中是有用的。

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