操控石墨烯無(wú)序熱電子實(shí)現(xiàn)高靈敏太赫茲探測(cè)

操控石墨烯無(wú)序熱電子實(shí)現(xiàn)高靈敏太赫茲探測(cè)

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(xué)與紅外光子學(xué)之間，由于其特殊的頻率范圍在天文、遙感、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)太赫茲光子的高效能量轉(zhuǎn)換材料需要具備高吸收、高轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，而工作溫度、太赫茲光子低能特性限制了傳統(tǒng)光子能帶探測(cè)方法在未來(lái)便攜式太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。純電子學(xué)的通過(guò)減小特征尺寸方法往太赫茲波段延伸面臨著彈道效應(yīng)、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(shè)備、柔性醫(yī)學(xué)設(shè)備的應(yīng)用提供了天然條件。當(dāng)太赫茲光子入射到石墨烯材料表面，石墨烯材料對(duì)太赫茲呈現(xiàn)出高吸收態(tài)，其表面電子呈現(xiàn)出相應(yīng)的無(wú)序高動(dòng)能態(tài)，而這一部分能量往往難以轉(zhuǎn)化成有用的信號(hào)被支撐襯底、電極等以熱的形式耗散，因此如何實(shí)現(xiàn)高效的器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)太赫茲能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。


【成果簡(jiǎn)介】


近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陸衛(wèi)、陳效雙課題組成員王林副研究員、“百人計(jì)劃”陳剛研究員等人，利用石墨烯材料集成天線配對(duì)接觸電極結(jié)構(gòu)，提出無(wú)序熱電子操控機(jī)理實(shí)現(xiàn)室溫下太赫茲波段的高靈敏探測(cè)，響應(yīng)率可達(dá)200V/W以上。


相關(guān)成果以“Towards sensitive terahertz detection via thermoelectric manipulation using graphene transistors”為題發(fā)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(wú)耗散電流轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)了天線配對(duì)的叉指電極接觸結(jié)構(gòu)一方面形成太赫茲近場(chǎng)的不對(duì)稱(chēng)分布，另一方面形成有效電極偏壓下在無(wú)需結(jié)構(gòu)修飾的石墨烯溝道產(chǎn)生高的開(kāi)關(guān)比，誘導(dǎo)器件溝道中非平衡熱載流子不對(duì)稱(chēng)的擴(kuò)散，使得無(wú)序熱電子高效轉(zhuǎn)換成太赫茲光電流信號(hào)。該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等經(jīng)費(fèi)資助。


【圖文導(dǎo)讀】

操控石墨烯無(wú)序熱電子實(shí)現(xiàn)高靈敏太赫茲探測(cè)

圖1.配對(duì)電極結(jié)構(gòu)器件設(shè)計(jì)及其原理


a）石墨烯基THz探測(cè)器在偏置場(chǎng)配置下的示意圖；


b）A，B，C和D四端電結(jié)構(gòu)的SEM圖像。


本工作設(shè)計(jì)了基于log周期性寬帶天線與石墨烯之間的電學(xué)互連，通過(guò)天線可實(shí)現(xiàn)在毫米尺度下的電磁匯聚，形成對(duì)稱(chēng)電磁模態(tài)分布，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建配對(duì)雙指電極形成了四端電阻接觸勢(shì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中雙指電極可進(jìn)一步調(diào)控太赫茲電磁場(chǎng)、石墨烯溝道的電壓，可人為誘導(dǎo)接觸勢(shì)壘打破結(jié)構(gòu)平衡形成擴(kuò)散熱電子。

操控石墨烯無(wú)序熱電子實(shí)現(xiàn)高靈敏太赫茲探測(cè)

圖2.探測(cè)器的結(jié)構(gòu)特性及其偏壓調(diào)控?zé)犭娹D(zhuǎn)換


通過(guò)縮小接觸電極之間的間距可實(shí)現(xiàn)器件響應(yīng)幅值的調(diào)控，在源漏AD電壓作用下器件響應(yīng)可出現(xiàn)線性上升，圖中顯示該過(guò)程為熱電子誘導(dǎo)產(chǎn)生對(duì)溝道熱電子注入形成光載流子增益，而當(dāng)器件整體結(jié)構(gòu)偏離平衡時(shí)即圖1的偏壓或電極偏離對(duì)稱(chēng)中心器件可產(chǎn)生直接光電流(直接光伏探測(cè))，具體可見(jiàn)文章中關(guān)于偏壓調(diào)控的情況。


【小結(jié)】


總而言之，該工作系統(tǒng)闡釋了在室溫條件下，石墨烯材料在太赫茲輻射下產(chǎn)生無(wú)序熱電子過(guò)程，并且展示了如何通過(guò)偏壓、電磁耦合調(diào)控?zé)o序熱電子產(chǎn)生光電流從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的室溫探測(cè)，石墨烯材料盡管為零帶隙，然而其寬的頻率范圍的強(qiáng)吸收和高效光電轉(zhuǎn)換為低成本、柔性探測(cè)在便攜式成像系統(tǒng)、人體醫(yī)學(xué)太赫茲表征設(shè)備的核心器件實(shí)現(xiàn)提供了嶄新的途徑。

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