上海技物所陳效雙、陸衛團隊NPG Asia Materials: 操控石墨烯無序熱電子實現高靈敏太赫茲探測

【引言】

電磁頻譜中，太赫茲輻射是指頻率在0.1 THz到10 THz范圍的電磁波，恰好處于微波電子學與紅外光子學之間，由于其特殊的頻率范圍在天文、遙感、生物醫學等領域具有重要的應用前景。為實現太赫茲光子的高效能量轉換材料需要具備高吸收、高轉換的特點，而工作溫度、太赫茲光子低能特性限制了傳統光子能帶探測方法在未來便攜式太赫茲檢測系統、通訊系統的廣泛應用。純電子學的通過減小特征尺寸方法往太赫茲波段延伸面臨著彈道效應、量子隧穿等不利因素限制了器件的工作效率。單原子石墨烯材料所具備的高遷移率和零禁帶特性，為太赫茲器件集成在諸如可穿戴電子設備、柔性醫學設備的應用提供了天然條件。當太赫茲光子入射到石墨烯材料表面，石墨烯材料對太赫茲呈現出高吸收態，其表面電子呈現出相應的無序高動能態，而這一部分能量往往難以轉化成有用的信號被支撐襯底、電極等以熱的形式耗散，因此如何實現高效的器件設計實現太赫茲能量轉換至關重要。

【成果簡介】

近日，中國科學院上海技術物理研究所，紅外物理國家重點實驗室陸衛、陳效雙課題組成員王林副研究員、“百人計劃”陳剛研究員等人，利用石墨烯材料集成天線配對接觸電極結構，提出無序熱電子操控機理實現室溫下太赫茲波段的高靈敏探測，響應率可達200V/W以上。相關成果以“Towards sensitive terahertz detection via thermoelectric manipulation using graphene transistors” 為題發表在期刊《自然-亞洲材料》（NPG Asia Materials, IF~9.157）上。該工作面向解決石墨烯熱電子的無耗散電流轉化，設計了天線配對的叉指電極接觸結構一方面形成太赫茲近場的不對稱分布，另一方面形成有效電極偏壓下在無需結構修飾的石墨烯溝道產生高的開關比，誘導器件溝道中非平衡熱載流子不對稱的擴散，使得無序熱電子高效轉換成太赫茲光電流信號。該研究工作得到國家重點研發計劃專項基金、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會等經費資助。

【圖文導讀】

圖1. 配對電極結構器件設計及其原理

a）石墨烯基THz探測器在偏置場配置下的示意圖；

b）A，B，C和D四端電結構的SEM圖像。

本工作設計了基于log周期性寬帶天線與石墨烯之間的電學互連，通過天線可實現在毫米尺度下的電磁匯聚，形成對稱電磁模態分布，在此基礎上構建配對雙指電極形成了四端電阻接觸勢結構，該結構中雙指電極可進一步調控太赫茲電磁場、石墨烯溝道的電壓，可人為誘導接觸勢壘打破結構平衡形成擴散熱電子。

圖2.探測器的結構特性及其偏壓調控熱電轉換

通過縮小接觸電極之間的間距可實現器件響應幅值的調控，在源漏AD電壓作用下器件響應可出現線性上升，圖中顯示該過程為熱電子誘導產生對溝道熱電子注入形成光載流子增益，而當器件整體結構偏離平衡時即圖1的偏壓或電極偏離對稱中心器件可產生直接光電流(直接光伏探測)，具體可見文章中關于偏壓調控的情況。

【小結】

總而言之，該工作系統闡釋了在室溫條件下，石墨烯材料在太赫茲輻射下產生無序熱電子過程，并且展示了如何通過偏壓、電磁耦合調控無序熱電子產生光電流從而實現高靈敏的室溫探測，石墨烯材料盡管為零帶隙，然而其寬的頻率范圍的強吸收和高效光電轉換為低成本、柔性探測在便攜式成像系統、人體醫學太赫茲表征設備的核心器件實現提供了嶄新的途徑。

文獻鏈接：Towards sensitive terahertz detection via thermoelectric manipulation using graphene transistors[NPG Asia Materials, DOI: 10.1038/s41427-018-0032-7]

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