操控石墨烯无序热电子实现高灵敏太赫兹探测

操控石墨烯无序热电子实现高灵敏太赫兹探测

电磁频谱中，太赫兹辐射是指频率在0.1 THz到10 THz范围的电磁波，恰好处于微波电子学与红外光子学之间，由于其特殊的频率范围在天文、遥感、生物医学等领域具有重要的应用前景。为实现太赫兹光子的高效能量转换材料需要具备高吸收、高转换的特点，而工作温度、太赫兹光子低能特性限制了传统光子能带探测方法在未来便携式太赫兹检测系统、通讯系统的广泛应用。纯电子学的通过减小特征尺寸方法往太赫兹波段延伸面临着弹道效应、量子隧穿等不利因素限制了器件的工作效率。单原子石墨烯材料所具备的高迁移率和零禁带特性，为太赫兹器件集成在诸如可穿戴电子设备、柔性医学设备的应用提供了天然条件。当太赫兹光子入射到石墨烯材料表面，石墨烯材料对太赫兹呈现出高吸收态，其表面电子呈现出相应的无序高动能态，而这一部分能量往往难以转化成有用的信号被支撑衬底、电极等以热的形式耗散，因此如何实现高效的器件设计实现太赫兹能量转换至关重要。


【成果简介】


近日，中国科学院上海技术物理研究所，红外物理国家重点实验室陆卫、陈效双课题组成员王林副研究员、“百人计划”陈刚研究员等人，利用石墨烯材料集成天线配对接触电极结构，提出无序热电子操控机理实现室温下太赫兹波段的高灵敏探测，响应率可达200V/W以上。


相关成果以“Towards sensitive terahertz detection via thermoelectric manipulation using graphene transistors”为题发表在期刊《自然-亚洲材料》（NPG Asia Materials,IF~9.157）上。该工作面向解决石墨烯热电子的无耗散电流转化，设计了天线配对的叉指电极接触结构一方面形成太赫兹近场的不对称分布，另一方面形成有效电极偏压下在无需结构修饰的石墨烯沟道产生高的开关比，诱导器件沟道中非平衡热载流子不对称的扩散，使得无序热电子高效转换成太赫兹光电流信号。该研究工作得到国家重点研发计划专项基金、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等经费资助。


【图文导读】

操控石墨烯无序热电子实现高灵敏太赫兹探测

图1.配对电极结构器件设计及其原理


a）石墨烯基THz探测器在偏置场配置下的示意图；


b）A，B，C和D四端电结构的SEM图像。


本工作设计了基于log周期性宽带天线与石墨烯之间的电学互连，通过天线可实现在毫米尺度下的电磁汇聚，形成对称电磁模态分布，在此基础上构建配对双指电极形成了四端电阻接触势结构，该结构中双指电极可进一步调控太赫兹电磁场、石墨烯沟道的电压，可人为诱导接触势垒打破结构平衡形成扩散热电子。

操控石墨烯无序热电子实现高灵敏太赫兹探测

图2.探测器的结构特性及其偏压调控热电转换


通过缩小接触电极之间的间距可实现器件响应幅值的调控，在源漏AD电压作用下器件响应可出现线性上升，图中显示该过程为热电子诱导产生对沟道热电子注入形成光载流子增益，而当器件整体结构偏离平衡时即图1的偏压或电极偏离对称中心器件可产生直接光电流(直接光伏探测)，具体可见文章中关于偏压调控的情况。


【小结】


总而言之，该工作系统阐释了在室温条件下，石墨烯材料在太赫兹辐射下产生无序热电子过程，并且展示了如何通过偏压、电磁耦合调控无序热电子产生光电流从而实现高灵敏的室温探测，石墨烯材料尽管为零带隙，然而其宽的频率范围的强吸收和高效光电转换为低成本、柔性探测在便携式成像系统、人体医学太赫兹表征设备的核心器件实现提供了崭新的途径。

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