來自莫斯科物理科學(xué)與技術(shù)研究所(MIPT)和Valiev物理與技術(shù)研究所的俄羅斯研究人員證明了商用石墨烯中太赫茲輻射的共振吸收。這是設(shè)計高效太赫茲探測器的重要一步，可實現(xiàn)更快的互聯(lián)網(wǎng)和X射線人體掃描的安全替代。研究結(jié)果發(fā)表于Physical Review Applied。

由于Andre Geim和Kostya Novoselov因研究石墨烯獨(dú)特的電子特性而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎，因此對這種材料的興趣從未減弱。石墨烯是真正的二維：它由一個原子厚的碳層組成，這是其性能如此驚人的原因之一。它很薄但機(jī)械強(qiáng)度高，即使對氦原子也是不可滲透的，并且導(dǎo)電和加熱非常好。石墨烯中的高電子遷移率使其成為超快光電探測器的有前途的材料，包括那些在太赫茲范圍內(nèi)工作的光電探測器。

太赫茲輻射，也稱為T波，同樣難以產(chǎn)生和檢測。這產(chǎn)生了“太赫茲間隙”的概念，其指的是電磁波譜中大約0.1-10THz的頻帶。在該范圍內(nèi)沒有用于產(chǎn)生和檢測輻射的有效裝置。盡管如此，T波對人類來說非常重要：它們不會對身體造成傷害，因此可以替代醫(yī)學(xué)掃描中的X射線。此外，T波可以使Wi-Fi更快，并解開一個研究不足的宇宙輻射帶，用于天文研究。

盡管石墨烯具有很大的光電探測潛力，但其單層本身僅吸收約2.3%的外部輻射，這對于可靠的探測來說是不夠的。解決這個問題的方法是在石墨烯附近強(qiáng)烈定位場，迫使電磁波與石墨烯電子耦合并激發(fā)共振。由此產(chǎn)生的電磁場和傳導(dǎo)電子的集體波被稱為表面等離子體。等離子體共振的相應(yīng)現(xiàn)象是由于表面等離子體激元波的激發(fā)而增強(qiáng)的光吸收。

不幸的是，在用平面波照射的導(dǎo)體的連續(xù)片中沒有觀察到這種現(xiàn)象。與光子相比，等離子體激元波長太短，這就是為什么這兩個波很難同步的原因。為了解決這種差異，將金屬光柵放置在石墨烯膜上方。它類似于一個牙齒小于一微米的小梳子。

石墨烯：期望與現(xiàn)實

有數(shù)十種技術(shù)可用于生產(chǎn)石墨烯。它們在最終產(chǎn)品質(zhì)量和勞動強(qiáng)度方面存在差異。研究人員稱贊石墨烯中的高電子遷移率常常淡化了這種材料的制造難度。

最高質(zhì)量的石墨烯是通過機(jī)械去角質(zhì)生產(chǎn)的。這涉及在兩個膠帶之間放置一塊石墨，然后在多次迭代中撕掉逐漸變薄的層。在某些時候，石墨烯的碎片 - 即單層石墨 - 出現(xiàn)。這種“手工”石墨烯具有應(yīng)用裝置的最佳特性，例如由MIPT，莫斯科國立師范大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)的研究人員創(chuàng)建的基于封裝石墨烯的共振T波檢測器。不幸的是，通過機(jī)械剝離制造的石墨烯薄片只有幾微米寬，需要幾個月才能生產(chǎn)，并且最終對于串行設(shè)備設(shè)計來說太昂貴了。

石墨烯合成有一種更容易和可擴(kuò)展的替代技術(shù)，稱為化學(xué)氣相沉積(CVD)。它涉及在特殊的爐子中分解氣體 - 通常是甲烷，氫氣和氬氣的混合物。該過程導(dǎo)致在銅或鎳基板上形成石墨烯膜。得到的石墨烯比機(jī)械剝離的石墨烯具有更差的特性和更多的缺陷。但CVD目前是最適合擴(kuò)大設(shè)備生產(chǎn)的技術(shù)。

俄羅斯物理學(xué)家開始測試這種商業(yè)級石墨烯是否足以用于太赫茲等離子共振激發(fā)，這將使其成為T波探測器的有效材料。

“實際上，CVD生產(chǎn)的石墨烯薄膜不是均勻的。像多晶一樣，它由許多合并的晶粒組成。每一個都是一個完全對稱的原子圖案的有序區(qū)域。晶界與缺陷一起使得這種石墨烯遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠來自簡單，“研究合著者和MIPT研究生Elena Titova說。

該團(tuán)隊花了一年多的時間才在研究所共享研究設(shè)施中心掌握CVD石墨烯。與此同時，實驗室理論部門的同事們確信沒有觀察到等離子體共振。原因在于共振可見性由所謂的品質(zhì)因數(shù)決定 - 即，在電子遇到晶格缺陷之前場經(jīng)過了多少個周期。理論估計預(yù)測了非常低的Q因子受到CVD石墨烯中頻繁的電子缺陷碰撞的限制。也就是說，石墨烯中的高電子遷移率不是由于不頻繁的電子碰撞而出現(xiàn)，而是由于電子質(zhì)量低，這使得它們能夠快速加速到高速。

理論與實驗

盡管悲觀的理論預(yù)測，該論文的作者仍決定繼續(xù)進(jìn)行實驗。他們的決心得到了回報：吸收光譜顯示出CVD合成石墨烯中指示等離子體共振的峰。

研究主管，光電子二維材料MIPT實驗室負(fù)責(zé)人Dmitry Svintsov評論說：“問題不是所有的缺陷都是一樣的，電子在直流電流測量和太赫茲吸收測量中會遇到不同的缺陷。” “在直流實驗中，電子在從一個電觸點(diǎn)到另一個電觸點(diǎn)的路上不可避免地會遇到晶界。但是當(dāng)暴露在T波中時，它將主要在單個晶粒內(nèi)波動，遠(yuǎn)離其邊界。這意味著缺陷損害直流電導(dǎo)率實際上對于T波檢測是“安全的”。“

另一個謎團(tuán)與共振等離子體激發(fā)的頻率有關(guān)，這與先前存在的理論不一致。事實證明，這與金屬光柵的幾何形狀有著意想不到的關(guān)系。研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靠近石墨烯時，光柵(圖1中用橙色表示)改變了等離子體場的分布。這導(dǎo)致在“梳齒”下的等離子體定位，其邊緣充當(dāng)?shù)入x子體的鏡子。研究人員根據(jù)與固態(tài)物理學(xué)的緊束縛模型的類比，制定了一個非常簡單的理論來描述這一現(xiàn)象。該理論很好地再現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)，無需求助于擬合參數(shù)，可用于優(yōu)化未來的T波探測器。