新型石墨烯基太赫茲探測(cè)器(概念圖)。
圖片來(lái)源：MIPT官網(wǎng)
科技日?qǐng)?bào)北京12月25日電(記者劉霞)據(jù)俄羅斯莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(MIPT)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，來(lái)自俄羅斯、英國(guó)、日本、意大利的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出了一種基于石墨烯的太赫茲探測(cè)器。新設(shè)備既可充當(dāng)靈敏的探測(cè)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(xiàn)之間的電磁波，具有穿透性強(qiáng)、安全性高、定向性好等優(yōu)勢(shì)，有望用于醫(yī)療、宇宙探索等領(lǐng)域。但現(xiàn)有太赫茲探測(cè)器存在效率低下的問(wèn)題，主要是因?yàn)樘掌澆ㄅc檢測(cè)元件(晶體管)之間尺寸不匹配。晶體管僅百萬(wàn)分之一米，而太赫茲輻射的波長(zhǎng)是其100倍，導(dǎo)致太赫茲波從探測(cè)器身邊溜走。
1996年，科學(xué)家提出了一個(gè)解決辦法：將入射波能量壓縮到與檢測(cè)器大小相當(dāng)?shù)捏w積內(nèi)。為此，探測(cè)器材料需要支持特種“緊湊波”——所謂的等離激元。從理論上來(lái)說(shuō)，在波的諧振下，這種探測(cè)器的效率會(huì)得到進(jìn)一步提升。
但實(shí)現(xiàn)這種探測(cè)器比預(yù)期更難。原因在于：在大多數(shù)半導(dǎo)體材料中，由于電子與雜質(zhì)的碰撞，等離激元會(huì)快速衰減。石墨烯被認(rèn)為可解決問(wèn)題，但其還不夠潔凈。
在最新研究中，科學(xué)家解決了這個(gè)問(wèn)題。他們制造了一個(gè)光電探測(cè)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(xiàn)發(fā)生耦合。在這個(gè)“三明治”結(jié)構(gòu)中，雜質(zhì)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(jié)構(gòu)使波速可在一個(gè)寬范圍內(nèi)調(diào)諧。
新設(shè)備實(shí)際上也是尺寸僅為幾微米的太赫茲光譜儀，可通過(guò)電壓調(diào)諧控制諧振頻率。此外，它還可用于基礎(chǔ)研究：在不同頻率與電子密度下測(cè)量探測(cè)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(shù)學(xué)院光電二維材料實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人多米特瑞·斯凡特斯弗表示：“所有這些設(shè)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。”劉霞
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