研究人员发现市售石墨烯足以满足光电探测器的要求

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来自俄罗斯莫斯科物理科学与技术研究所(MIPT)和Valiev物理科学与技术研究所的研究人员已经证明了商用石墨烯中太赫兹辐射的共振吸收。该团队宣称这是设计高效太赫兹探测器的重要一步,可以实现更快的互联网和X射线人体扫描的安全替代。

物理学家OK商业石墨烯用于T波检测图像基于石墨烯的晶体管,带有金属光栅。信用:由研究人员提供

太赫兹辐射,也称为T波,被认为难以产生和检测。这产生了“太赫兹间隙”的概念,其大致是指电磁频谱中的0.1-10THz频带。在该范围内没有用于产生和检测辐射的有效装置。尽管如此,T波对人类来说非常重要:它们不会对身体造成伤害,因此可以替代医学扫描中的X射线。此外,T波可以使Wi-Fi更快,并为迄今尚未开发的天文研究打开了大门。

尽管石墨烯具有很大的光电探测潜力,但其单层本身仅吸收约2.3%的外部辐射,这对于可靠的探测来说是不够的。解决这个问题的方法是在石墨烯附近强烈定位场,迫使电磁波与石墨烯电子耦合并激发共振。由此产生的电磁场和传导电子的集体波被称为表面等离子体。等离子体共振的相应现象是由于表面等离子体激元波的激发而增强的光吸收。

不幸的是,在用平面波照射的导体的连续片中没有观察到这种现象。等离子体激元波长与光子波长相比太短,因此这两个波很难同步。为了解决这个问题,在石墨烯薄膜上方放置金属光栅。它类似于一个牙齿小于一微米的小梳子。

存在许多用于生产石墨烯的技术,石墨烯在最终产品质量和劳动强度方面不同。机械去角质产生极高品质的石墨烯。不幸的是,通过机械剥离制造的石墨烯薄片只有几微米宽,需要几个月才能生产,并且最终对于串行设备设计来说太昂贵了。CVD是用于石墨烯合成的更容易且更可扩展的替代技术。得到的石墨烯比机械剥离的石墨烯具有更差的特性和更多的缺陷。但CVD目前是最适合扩大设备生产的技术。

俄罗斯物理学家开始测试这种商业级石墨烯是否足以用于太赫兹等离子共振激发,这将使其成为T波探测器的有效材料。

“实际上,CVD生产的石墨烯薄膜不是均匀的。像多晶一样,它由许多合并的晶粒组成。每一个都是具有完全对称原子图案的有序区域。研究共同作者和MIPT研究生Elena Titova说,晶界和缺陷使得这种石墨烯的使用变得非常容易。

该团队花了一年多的时间才在研究所共享研究设施中心掌握CVD石墨烯。与此同时,实验室理论部门的同事们确信没有观察到等离子体共振。原因是共振可见性由所谓的品质因数决定 - 也就是说,在电子遇到晶格缺陷之前,场经过多少个周期。理论估计预测了非常低的Q因子受到CVD石墨烯中频繁的电子缺陷碰撞的限制。也就是说,石墨烯中的高电子迁移率不是由于不频繁的电子碰撞而出现,而是由于电子质量低,这使得它们能够快速加速到高速。

尽管悲观的理论预测,该论文的作者仍决定继续进行实验。他们的决心得到了回报:吸收光谱显示出CVD合成石墨烯中指示等离子体共振的峰。

研究主管Dmitry Svintsov是光电子二维材料MIPT实验室的负责人,他说道:“并非所有的缺陷都是相同的,电子在直流电流测量和太赫兹吸收测量中会遇到不同的缺陷。” “在直流实验中,电子在从一个电触点到另一个电触点的途中不可避免地会遇到晶界。但是当暴露在T波中时,它将主要在一个颗粒内波动,远离其边界。这意味着损害直流电导率的缺陷实际上对于T波检测是“安全的”。“

另一个谜团与共振等离子体激发的频率有关,这与先前存在的理论不一致。事实证明,这与金属光栅的几何形状有着意想不到的关系。研究小组发现,当靠近石墨烯时,光栅改变了等离子体场的分布。这导致在“梳齿”下的等离子体定位,其边缘充当等离子体的镜子。研究人员根据与固态物理学的紧束缚模型的类比,制定了一个非常简单的理论来描述这一现象。该理论很好地再现了实验数据,无需求助于拟合参数,可用于优化未来的T波探测器。


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