石墨烯中太赫兹光响应起源的争议

总部位于俄罗斯的MIPT，MSPU和曼彻斯特大学的研究人员揭示了在太赫兹辐射下导致石墨烯光电流的机制。据说这篇论文结束了关于高频辐射照射石墨烯中直流电源的长期争论，也为高灵敏度太赫兹探测器的发展奠定了基础。这种检测器在医疗诊断，无线通信和安全系统中具有应用。

2005年，MIPT校友Andre Geim和Konstantin Novoselov实验研究了石墨烯中电子的行为，发现石墨烯中的电子以量子能量响应电磁辐射，而普通半导体具有能量阈值，低于该能量阈值材料不响应一点都不亮。然而，石墨烯中暴露于辐射的电子运动方向长期以来一直存在争议，因为有很多因素将它拉向不同的方向。在由太赫兹辐射引起的光电流的情况下，争议尤为明显。

太赫兹辐射具有独特的性质。例如，它很容易通过许多电介质而不会使它们电离 - 这对医疗诊断或安全系统特别有价值。太赫兹相机可以检测隐藏在人的衣服下的武器，并且医疗扫描仪可以通过检测太赫兹范围内的特征生物分子的谱线（“指纹”）在早期阶段揭示皮肤病。最后，将Wi-Fi设备的载波频率从几个千兆赫兹提高到几百千兆赫兹（进入亚太赫兹范围）将成比例地增加带宽。但所有这些应用都需要一个易于制造的灵敏，低噪声的太赫兹探测器。

在这项工作中设计的太赫兹探测器是夹在氮化硼介电层之间的石墨烯片，并且电耦合到太赫兹天线 - 大约一毫米的金属螺旋。当辐射照射在天线上时，它会在石墨烯片的一侧晃动电子，而在另一侧测量得到的直流电流。石墨烯被“包装”成氮化硼，可以实现创纪录的高电特性，使探测器的灵敏度比早期的设计高出一些。然而，研究的主要结果并不是表现更好的工具; 它是对光电流负责的物理现象的洞察力。

有三种主要影响导致石墨烯中的电流流过暴露于太赫兹辐射。第一个是光热电效应，是由于天线端子和传感端子之间的温差造成的。这将电子从热端子发送到冷端子，就像从暖辐射器上升到冷天花板的空气一样。第二个影响是终端电流的整流。事实证明，石墨烯的边缘仅通过一定极性的高频信号。第三个也是最有趣的效果叫做等离子波整流。我们可以认为天线端子正在激起石墨烯带的“电子海中的波浪”，而传感端子记录与这些波相关的平均电流。

MIPT的Dmitry Svintsov说：“早些时候试图解释这种探测器中的光电流仅使用这些探测器中的一种而排除了所有其他机制。” “实际上，他们三个都在发挥作用，我们的研究发现哪种效应在哪种条件下占主导地位。热电效应在低温下占主导地位，而等离子体整流在高温和长通道仪器中占主导地位。主要的是我们想出了如何制造一种探测器，其中不同的光响应机制不会相互抵消，而是相互加强。“

这些实验将有助于太赫兹探测器的最佳设计，以及危险物质远程检测设备，安全医疗诊断和高速无线通信的开发。