石墨烯：極大促進未來太赫茲攝像頭開發！

導讀

據西班牙光子科學研究所（ICFO）官網近日報道，該校及其他科研機構的研究人員合作設計出一款石墨烯使能的新型光電探測器。它可以工作在室溫條件下，靈敏度高，速度快，動態範圍寬，覆蓋的太赫茲頻率廣。

背景

太赫茲技術，是目前受到世界各國科學家廣泛關注的前沿科技領域之一。太赫茲波，是指頻率範圍在 100GHz 到 10THz 之間，波長介於微波和紅外線之間的電磁波，對於人眼來說是不可見的。

（圖片來源：維基百科）

太赫茲波具有穿透性強、安全性高、定向性好、帶寬高、時間與空間解析度高等技術優勢。因此，太赫茲技術可應用於成像、存儲、通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學、安全檢測、無損檢測等多個領域。

柔性可穿戴的太赫茲成像儀（圖片來源：東京工業大學）

用太赫茲技術對一本合上的書中的書頁內容進行成像（圖片來源：Barmak Heshmat）

太赫茲通信系統（圖片來源：荷蘭內梅亨大學）

可是，目前的太赫茲輻射探測器卻受到了非常強的限制，這些限制表現在需要同時滿足靈敏度、速度、頻譜範圍、以及能在室溫條件下運作等條件。太赫茲光波是一種非常安全的輻射，因為其光子能量低，能量不足可見光範圍的光子的百分之一。

作為一種可檢測光線的材料，石墨烯有望為我們帶來許多新應用。

（圖片來源：石墨烯旗艦項目）

相比於光電探測器所用的標準材料例如硅，石墨烯的特殊之處在於沒有帶隙。硅中的帶隙使得波長長於一微米的入射光無法被吸收，從而也無法檢測到。相比而言，對於石墨烯來說，即使波長為數百微米的太赫茲光波也可以被吸收和檢測到。

石墨烯基太赫茲探測器（圖片來源：tsarcyanide/MIPT新聞辦公室）

雖然石墨烯基太赫茲探測器目前為止表現出了非常有前景的成果，但是這些探測器目前為止都無法在速度和靈敏度方面打敗市場上可買到的探測器。

創新

在最近的一項研究中，西班牙光子科學研究所（ICFO）的研究人員塞巴斯蒂安·卡斯蒂利亞（Sebastián Castilla）、伯納特·特雷斯（Bernat Terrés）博士，在 ICFO 教授弗蘭克·庫本思（Frank Koppens）和前ICFO 科學家克拉斯-揚·迪爾羅伊基（Klaas-Jan Tielrooij）博士（目前是 ICN2 的初級組長）領導下，與西班牙 CIC NanoGUNE 研究中心、義大利 NEST (CNR)、中國南京大學、西班牙 Donostia 國際物理中心、希臘約阿尼納大學、日本國立材料研究所展開合作，已經能夠戰勝這些挑戰。

他們開發出一種新型石墨烯使能的光電探測器，它可以工作在室溫條件下，靈敏度高，速度快，動態範圍寬，覆蓋的太赫茲頻率廣。

技術

在實驗中，科學家們能採用以下方法，優化太赫茲光電探測器的光響應機制。他們將一個偶極子天線集成到探測器中，在天線附近聚焦入射的太赫茲光波。通過製造一個非常小（100納米，差不多是人類髮絲厚度的千分之一）的天線缺口，他們可以在石墨烯通道的光敏區域中，吸收大強度聚焦的太赫茲入射光波。他們觀察到，被石墨烯吸收的光波，在石墨烯的pn結中創造出熱載流子；隨後，p區域和n區域中不等的塞貝克係數，會產生出一個局部電壓和一個通過設備的電流，併產生非常大的光響應，導致生成一個非常高靈敏度、高速度的響應探測器，並具有寬動態範圍和寬光譜覆蓋率。

（左）石墨烯基太赫茲光電探測器設備的中間部分的示意圖。它包含一個hBN封裝的石墨烯通道，位於窄缺口天線結構的頂部。向左右兩個天線分支施加不同的電壓，可以在石墨烯通道內部創造出pn結，結的左右兩邊具有不同塞貝克係數。入射光波通過天線在缺口上方聚焦起來，這就是光電響應產生的地方。（右）太赫光波聚焦的測量結果，是通過掃描聚焦平面內的太赫茲探測器來獲取的。觀察到的幾個艾里圖案的環，表示探測器具有高靈敏度。（圖片來源：參考資料【1】）

價值

這項研究的成果為開發全數字化的低成本攝像頭系統開闢了一條途徑。這種攝像頭會和智能手機中的攝像頭一樣便宜，因為這種探測器已經被證明具有非常低的功耗，並且完全兼容於CMOS技術。

關鍵字

石墨烯、太赫茲、攝像頭、成像、光電探測器

參考資料

【1】Sebastián Castilla, Bernat Terrés, Marta Autore, Leonardo Viti, Jian Li, Alexey Y. Nikitin, Ioannis Vangelidis, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Elefterios Lidorikis, Miriam S. Vitiello, Rainer Hillenbrand, Klaas-Jan Tielrooij, Frank H.L. Koppens. Fast and Sensitive Terahertz Detection Using an Antenna-Integrated Graphene pn Junction. Nano Letters, 2019; DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04171

【2】http://www.icfo.eu/newsroom/news/article/4337

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