物理学家创造了一种基于石墨烯的宽带太赫兹辐射探测器。该设备在通信和下一代信息传输系统、安全和医疗设备方面具有应用潜力。这项研究发表在ACS Nano Letters 上。

新探测器依赖于等离子体波的干扰。诸如此类的干扰是许多技术应用和日常现象的基础。它决定了乐器的声音，并在肥皂泡中产生彩虹色，以及许多其他效果。各种光谱设备利用电磁波的干扰来确定物体的化学成分、物理和其他特性，包括非常遥远的物体，例如恒星和星系。

金属和半导体中的等离子体波最近引起了研究人员和工程师的广泛关注。与更熟悉的声波一样，发生在等离子体中的声波本质上也是密度波，但它们涉及电荷载流子：电子和空穴。它们的局部密度变化会产生电场，当其他电荷载流子通过材料传播时，该电场会推动其他电荷载流子。这类似于声波的压力梯度如何推动不断扩大的区域中的气体或液体粒子。然而，等离子体波在传统导体中会迅速减弱。

也就是说，二维导体使等离子波能够在相对较大的距离内传播而不会衰减。因此，可以观察到它们的干扰，从而获得有关所讨论材料的电子特性的大量信息。二维材料的等离子体已经成为凝聚态物理的一个高度动态的领域。

在过去的 10 年中，科学家们在使用基于石墨烯的设备检测太赫兹辐射方面取得了长足的进步。研究人员探索了 T 波与石墨烯相互作用的机制，并创建了原型探测器，其特性与基于其他材料的类似设备的特性相当。

然而，到目前为止，研究还没有研究探测器与明显偏振的 T 射线相互作用的细节。也就是说，对波的极化敏感的设备将在许多应用中使用。本故事中报道的研究通过实验证明了探测器响应如何取决于入射辐射的偏振。它的作者还解释了为什么会这样。

来自 MIPT 纳米碳材料实验室的研究合著者 Yakov Matyushkin 评论说：“探测器由一个 4 x 4 毫米的硅晶片和一块大小为 2 x 千分之 5 毫米的微小石墨烯组成。石墨烯连接到两个由金制成的扁平接触垫，其领结形状使探测器对入射辐射的偏振和相位敏感。除此之外，石墨烯层还与顶部的另一个金触点相接，中间夹有不导电的氧化铝层.”

在微电子学中，这种结构称为场晶体管，其两侧触点通常称为源极和漏极。顶部接触称为栅极。

太赫兹辐射是介于微波和远红外光之间的窄带电磁波谱。从应用的角度来看，T波的一个重要特征是它们可以穿过活组织并进行部分吸收，但不会引起电离，因此不会对身体造成伤害。例如，这将太赫兹辐射与 X 射线区分开来。

因此，传统上考虑的 T 射线应用是医学诊断和安全检查。太赫兹探测器也用于天文学。另一个新兴应用是太赫兹频率的数据传输。这意味着新探测器可用于建立 5G 和 6G 下一代通信标准。

“太赫兹辐射直接射向实验样品，与其表面正交。这会在样品中产生光电压，外部测量设备可以通过探测器的金触点接收到光电压，”该研究的共同作者、该研究的副主任 Georgy Fedorov 评论道。 MIPT纳米碳材料实验室。“这里的关键是检测到的信号的性质是什么。它实际上可能有所不同，并且它会根据许多外部和内部参数而变化：样品几何形状、频率、辐射极化和功率、温度等。”

值得注意的是，新探测器依赖于已经工业化生产的石墨烯。石墨烯有两种类型：该材料可以通过机械剥离或通过化学气相沉积合成。前一种类型具有更高的质量、更少的缺陷和杂质，并保持着载流子迁移率的记录，这是半导体的一个关键特性。然而，如今该行业已经可以大规模生产 CVD 石墨烯，使其成为具有大规模生产雄心的设备的首选材料。

该研究的另一位合著者、来自 MIPT 和俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所的马克西姆·雷宾 (Maxim Rybin) 是石墨烯制造商 Rusgraphene 的首席执行官，他对这项技术是这样说的：“事实上，正是 CVD 石墨烯我们在其中观察到等离子体波干扰，意味着这种基于石墨烯的太赫兹探测器适合工业化生产。据我们所知，这是迄今为止首次在 CVD石墨烯中观察到等离子体波干扰，因此我们的研究扩展了该材料的潜在工业生产应用程序。”

该团队表明，新探测器光响应的性质与晶体管通道中的等离子体波干扰有关。波传播开始于通道的两个相对端，天线的特殊几何形状使设备对检测到的辐射的极化和相位敏感。这些特性意味着检测器可以证明在构建以太赫兹和亚太赫兹频率运行的通信和信息传输系统方面很有用。

本故事中报道的这项研究由 MIPT 纳米碳材料实验室的研究人员及其来自莫斯科国立师范大学、俄罗斯科学院约夫研究所和德国雷根斯堡大学的同事共同撰写。这项研究得到了俄罗斯基础研究基金会和俄罗斯科学和高等教育部的支持。