物理學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)建了一種基于石墨烯的太赫茲輻射寬帶探測(cè)器。該設(shè)備具有在通信和下一代信息傳輸系統(tǒng)，安全性和醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用潛力。該研究發(fā)表在ACS Nano Letters上。

新的檢測(cè)器依靠等離子體波的干擾。這樣的干擾是許多技術(shù)應(yīng)用和日常現(xiàn)象的基礎(chǔ)。它確定樂器的聲音，并導(dǎo)致肥皂泡中的彩虹色以及許多其他效果。各種光譜設(shè)備可以利用電磁波的干擾來(lái)確定物體的化學(xué)成分，物理和其他特性-包括非常遙遠(yuǎn)的物體，例如恒星和星系。

金屬和半導(dǎo)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(guān)注。像更熟悉的聲波一樣，在等離子體中發(fā)生的聲波本質(zhì)上也是密度波，但它們涉及電荷載流子：電子和空穴。它們的局部密度變化會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)它通過材料傳播時(shí)，它會(huì)推動(dòng)其他電荷載流子。這類似于聲波的壓力梯度如何在不斷擴(kuò)大的區(qū)域內(nèi)推動(dòng)氣體或液體顆粒。但是，等離子波在常規(guī)導(dǎo)體中迅速消失。

也就是說，二維導(dǎo)體可以使等離子體波在不衰減的情況下在相對(duì)較大的距離內(nèi)傳播。因此，有可能觀察到它們的干擾，從而得到有關(guān)所討論材料的電子性能的大量信息。二維材料的等離激元已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理的一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的領(lǐng)域。

在過去的十年中，科學(xué)家們?cè)谑褂没谑┑脑O(shè)備檢測(cè)太赫茲輻射方面已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路。研究人員探索了T波與石墨烯相互作用的機(jī)理，并創(chuàng)建了原型探測(cè)器，其特征與基于其他材料的類似設(shè)備的特征相近。

但是，迄今為止，研究還沒有關(guān)注探測(cè)器與明顯偏振的T射線相互作用的細(xì)節(jié)。也就是說，對(duì)波偏振敏感的設(shè)備將在許多應(yīng)用中使用。這個(gè)故事中報(bào)道的研究通過實(shí)驗(yàn)證明了探測(cè)器的響應(yīng)如何取決于入射輻射的偏振。它的作者還解釋了為什么會(huì)這樣。

該研究的合著者來(lái)自MIPT納米碳材料實(shí)驗(yàn)室的Yakov Matyushkin補(bǔ)充說：“該探測(cè)器由一個(gè)4毫米寬4毫米的硅晶片和一個(gè)小小的2千分之五千分之一毫米的石墨烯組成。石墨烯已連接到兩個(gè)由金制成的扁平接觸墊上，它們的領(lǐng)結(jié)形狀使檢測(cè)器對(duì)入射輻射的偏振和相位敏感，此外，石墨烯層在頂部還與另一個(gè)金接觸，隔著氧化鋁非導(dǎo)電層他們。”

太赫茲輻射是微波和遠(yuǎn)紅外光之間電磁譜的窄帶。從應(yīng)用的角度來(lái)看，T波的一個(gè)重要特征是它們穿過生物組織并進(jìn)行部分吸收，但不會(huì)引起電離，因此不會(huì)傷害人體。例如，這會(huì)將THz輻射與X射線分開。

因此，傳統(tǒng)上考慮用于T射線的應(yīng)用是醫(yī)療診斷和安全檢查。太赫茲探測(cè)器也用于天文學(xué)。另一個(gè)新興的應(yīng)用是在太赫茲頻率下的數(shù)據(jù)傳輸。這意味著新的檢測(cè)器對(duì)于建立5G和6G下一代通信標(biāo)準(zhǔn)很有用。

研究合著者Georgy Fedorov評(píng)論說：“太赫茲輻射是垂直于實(shí)驗(yàn)樣品的，垂直于其表面。它在樣品中產(chǎn)生光電壓，可以由外部測(cè)量設(shè)備通過探測(cè)器的金觸點(diǎn)拾取。” MIPT納米碳材料實(shí)驗(yàn)室。“這里至關(guān)重要的是被檢測(cè)信號(hào)的本質(zhì)。它實(shí)際上可以有所不同，并且取決于許多外部和內(nèi)部參數(shù)：樣品的幾何形狀，頻率，輻射極化和功率，溫度等。”

值得注意的是，新的檢測(cè)器依賴于已經(jīng)工業(yè)生產(chǎn)的石墨烯。石墨烯有兩種類型：材料可以機(jī)械剝離或通過化學(xué)氣相沉積合成。前一種類型具有更高的質(zhì)量，更少的缺陷和雜質(zhì)，并且保持了載流子遷移率的記錄，這是半導(dǎo)體的關(guān)鍵特性。但是，如今該行業(yè)已經(jīng)可以大規(guī)模地制造CVD石墨烯，這使其成為有志于大規(guī)模生產(chǎn)的器件的首選材料。

這項(xiàng)研究的另一位合著者，來(lái)自MIPT的Maxim Rybin和俄羅斯科學(xué)院普羅霍羅夫綜合物理研究所的作者是石墨烯制造商Rusgraphene的首席執(zhí)行官，他對(duì)此技術(shù)有這樣的評(píng)論：“事實(shí)上，CVD石墨烯我們觀察到等離子波干擾，這意味著這種基于石墨烯的太赫茲?rùn)z測(cè)器適合工業(yè)生產(chǎn)，據(jù)我們所知，這是迄今為止對(duì)CVD石墨烯中等離子波干擾的首次觀察，因此我們的研究擴(kuò)展了該材料的潛在工業(yè)應(yīng)用申請(qǐng)。”

研究小組表明，新探測(cè)器的光響應(yīng)特性與晶體管通道中的等離子體波干擾有關(guān)。波的傳播始于通道的兩個(gè)相對(duì)端，天線的特殊幾何形狀使設(shè)備對(duì)檢測(cè)到的輻射的極化和相位敏感。這些特征意味著該檢測(cè)器可能被證明可用于構(gòu)建以太赫茲和次太赫茲頻率運(yùn)行的通信和信息傳輸系統(tǒng)。

這個(gè)故事中報(bào)道的這項(xiàng)研究是由來(lái)自MIPT納米碳材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員及其來(lái)自莫斯科國(guó)立教育大學(xué)，俄羅斯科學(xué)院艾菲研究所和德國(guó)雷根斯堡大學(xué)的同事合著的。這項(xiàng)研究得到了俄羅斯基礎(chǔ)研究基金會(huì)和俄羅斯科學(xué)與高等教育部的支持。