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“三合一”石墨烯基太赫茲探測器問世

2018-12-26 10:36:23
科技日報




該設備可用于醫療研究與宇宙探索

新型石墨烯基太赫茲探測器(概念圖)。

圖片來源:MIPT官網

科技日報北京12月25日電 (記者劉霞)據俄羅斯莫斯科物理技術學院(MIPT)官網近日報道,來自俄羅斯、英國、日本、意大利的科學家團隊,開發出了一種基于石墨烯的太赫茲探測器。新設備既可充當靈敏的探測器,也可作為工作頻率在太赫茲范圍的光譜儀使用。

太赫茲波是介于微波和紅外線之間的電磁波,具有穿透性強、安全性高、定向性好等優勢,有望用于醫療、宇宙探索等領域。但現有太赫茲探測器存在效率低下的問題,主要是因為太赫茲波與檢測元件(晶體管)之間尺寸不匹配。晶體管僅百萬分之一米,而太赫茲輻射的波長是其100倍,導致太赫茲波從探測器身邊溜走。

1996年,科學家提出了一個解決辦法:將入射波能量壓縮到與檢測器大小相當的體積內。為此,探測器材料需要支持特種“緊湊波”——所謂的等離激元。從理論上來說,在波的諧振下,這種探測器的效率會得到進一步提升。

但實現這種探測器比預期更難。原因在于:在大多數半導體材料中,由于電子與雜質的碰撞,等離激元會快速衰減。石墨烯被認為可解決問題,但其還不夠潔凈。

在最新研究中,科學家解決了這個問題。他們制造了一個光電探測器,由封裝在氮化硼晶體之間的雙層石墨烯組成,并與太赫茲天線發生耦合。在這個“三明治”結構中,雜質被逐出石墨烯薄片之外,使等離激元更自由地傳播。被金屬鉛束縛住的石墨烯片形成了一種等離激元諧振器,而石墨烯的雙層結構使波速可在一個寬范圍內調諧。

新設備實際上也是尺寸僅為幾微米的太赫茲光譜儀,可通過電壓調諧控制諧振頻率。此外,它還可用于基礎研究:在不同頻率與電子密度下測量探測器中的電流,展示出了等離激元的特性。

論文合著者之一、莫斯科物理技術學院光電二維材料實驗室負責人多米特瑞·斯凡特斯弗表示:“所有這些設備之前都有,但我們將同樣的功能打包到了十多立方微米的體積中。”


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