來自莫斯科物理與技術研究所(MIPT)和Valiev物理與技術研究所的俄羅斯研究人員已經證明，在商用石墨烯中存在太赫茲輻射的共振吸收。這是設計高效太赫茲探測器的重要一步，使網際網路更快，並安全取代x射線用於身體的掃描，其研究結果發表在《物理評論應用》上。
石墨烯光電
自從Andre Geim和Kostya Novoselov因研究石墨烯獨特的電子特性而獲得諾貝爾物理學獎以來，人們對這種材料的興趣從未減弱過。石墨烯是二維的：由一層只有一個原子那麼厚的碳層組成，這也是其性能如此驚人的原因之一。它很薄，但機械強度很高，甚至對氦原子都不滲透，而且導電和導熱性能非常好。石墨烯中電子的高遷移率使其成為，超快光電探測器的理想材料，包括在太赫茲範圍內的探測器，THz輻射，也稱為t波，同樣難以產生和探測。
這就產生了「太赫茲間隙」的概念，「太赫茲間隙」指的是電磁頻譜中大約0.1-10太赫茲的頻段。在這一範圍內沒有有效的產生和探測輻射的裝置。然而，t波對人類非常重要：它們不會傷害身體，因此可以在醫學掃描中取代x射線。此外，t波可以使Wi-Fi更快，並為天文研究打開一個研究不足的宇宙輻射波段。儘管石墨烯具有很大的光檢測潛力，但其單層僅吸收約2.3%的外部輻射，不足以進行可靠的檢測。
解決這一問題的一種方法是對石墨烯附近電場進行強定位，迫使電磁波與石墨烯電子耦合，激發共振振蕩。由此產生的電磁場和傳導電子的集體波稱為表面等離子體。等離子體共振的相應現象是由於表面等離子體波的激發而引起光吸收增強。不過，這種現象在用平面波照明的導體連續片上沒有觀察到。等離子體波長比光子的波長短，這就是為什麼這兩種波很難同步的原因。為了解決這種差異，在石墨烯薄膜上方放置了一個金屬光柵。它像一個小梳子，齒之間的距離不到一微米。
石墨烯的期望與現實
生產石墨烯有幾十種技術，它們在最終產品質量和勞動強度方面有所不同。研究人員讚揚石墨烯具有高的電子遷移率，但往往對這種材料的製造難度輕描淡寫。最優質的石墨烯是通過機械剝落生產。這包括在兩個粘膠帶之間放置一片石墨，然後在多次迭代中剝離越來越薄的層。在某一時刻，石墨烯的碎片（即單層石墨）出現了。這種「手工」石墨烯在應用設備上具有最佳特性，比如基於MIPT、莫斯科國立師範大學和曼徹斯特大學研究人員製造的封裝石墨烯共振t波探測器。
機械剝落法生產的石墨烯薄片直徑只有幾微米，需要幾個月的時間才能生產出來，而且對於串行設備設計來說，成本太高。有一種更簡單、可擴展的石墨烯合成替代技術，稱為化學氣相沉積(CVD)。它包括在一個特殊的熔爐中分解氣體——通常是甲烷、氫氣和氬的混合物。該過程導致石墨烯薄膜在銅或鎳基板上形成。由此得到的石墨烯比機械剝落的石墨烯具有更差特性和更多缺陷。
但CVD目前是最適合擴大設備生產的技術，俄羅斯物理學家開始測試這種商業級石墨烯是否足以激發太赫茲等離子體共振，這將使它成為t波探測器的有效材料。事實上，cvd生產的石墨烯薄膜並不均勻。像多晶體一樣，它由許多合併的顆粒組成。每一個都是一個有序區域，具有完全對稱的原子圖案。研究合作者、MIPT研究生Elena Titova說：晶界和缺陷使得研究這種石墨烯遠非易事。
在該研究所的共享研究設施中心掌握了CVD石墨烯的工作。與此同時，實驗室理論部門的同事們確信不會觀察到等離子體共振。原因是共振可見性是由所謂的質量因子決定，也就是說，在電子遇到晶格缺陷之前，電場經過了多少周期。理論估計，由於CVD石墨烯中經常發生電子缺陷碰撞，Q因子非常低。也就是石墨烯中的高電子遷移率不是由於電子碰撞不頻繁，而是由於電子質量低，從而使它們能夠快速加速到高速。
理論和實驗
儘管有悲觀的理論預測，研究論文的作者還是決定做這個實驗，解決得到了回報：在cvd合成的石墨烯中，吸收光譜顯示出等離子體共振的峰。研究主管、光電子二維材料MIPT實驗室的負責人德米特裡·斯文索夫(Dmitry Svintsov)說：問題是，並非所有的缺陷都相同，在直流測量和THz吸收測量中，電子會與不同的缺陷發生碰撞。在直流實驗中，電子在從一個電接觸點到另一個電接觸點的過程中，不可避免地會遇到晶界。但當暴露在t波下時，它大多會在單個顆粒內波動，遠離其邊界。
這意味著損害直流電導率的缺陷實際上對t波檢測是『安全的』。另一個謎團與共振等離子體激發的頻率有關，這與先前已有的理論不一致。結果發現，它與金屬光柵幾何形狀有著意想不到的關係。當放置在石墨烯附近時，光柵會改變等離子體場的分布。這就導致了等離子體在「梳齒」下的定位，梳齒邊緣就像等離子體激元的鏡子。基於與固體物理的緊密結合模型類比，建立了一個描述這一現象非常簡單的理論。該理論在不依賴擬合參數的情況下，較好地再現了實驗數據，可用於未來t波探測器的優化設計。
博科園｜研究/來自：莫斯科物理科學與技術學院參考期刊《物理評論應用》DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.054017博科園｜科學、科技、科研、科普