石墨烯与太赫兹器件

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1、石墨烯与太赫兹器件石墨烯材料科学的新星2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料，石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质。其中在太赫兹科学上的应用前景尤其广阔.石墨烯的等离子振荡、可外部控制的导电率及可人为调谐的禁带宽度都与太赫兹科学息息相关。石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成的单层蜂窝状结构晶体,可以看作是由碳原子和C-C键构成的原子量级的

2、六角状线网.石墨烯的名字来源于GRAPHITE+ENE(石墨+烯)。石墨烯中碳原子之间的键能很大而且具有很好的柔韧性,这使其具有比钻石更大的硬度而且在对其施加机械力的时候其平面很容易弯曲.在发生较大形变的时候,这种柔韧性可以使石墨烯的原子结构适应外界的形变,而不至于发生根本的改变.由于石墨烯优良的晶体特性,它具有很好的电导率和热导率.载流子输送实验的结果显示室温下石墨烯具有非同寻常高的电子迁移率,大于15000cm2·V-1·s-1.另外,电导率实验的对称性说明空穴和电子的迁移率几乎是相同的.且在10-100K的温度范围内，迁移率几乎

3、不受影响，石墨烯在室温条件下的电阻率要比银低，银是已知的室温下电阻率最低的物质。石墨烯与太赫兹太赫兹光谱学是一种应用领域广阔且具有很好前景的探测和成像技术.由于其能带结构和其他特性,石墨烯与太赫兹科学有着内在的必然联系.例如,当载流子浓度适中(109—1012cm-2)时,石烯内部的等离子体振荡频率就是在太赫兹频段.双原子层石墨烯或者外延生长的石墨烯可能成为半导体,其禁带宽度可以设计为0—0.3eV,正好覆盖太赫兹频段.通过调节石墨烯中的能级与载流子浓度，可以进一步控制其太赫兹电导。石墨稀的双极电场效应允许其电子和空穴在栅压作用下连续

4、可调，最高可达以上。而其电阻可以下降17倍。因此，电压可以被用来调节石墨稀的载流子浓度和太赫兹电导，从而进一步用于太赫兹波的调控。图表示的是一种石墨炼场效应管结构，利用这种结构可以为石墨稀提供栅压。石墨烯位于SiO2/Si上构成场效应管的示意图石墨烯的太赫兹电导随栅压的变化曲线在整个电磁波谱中,太赫兹光谱区域是迄今为止研究和开发得最少的,主要是因为这个频段的辐射的产生和探测是件难度很大的工作.在半导体芯片上制作太赫兹的发射器和探测器是一项很有吸引力而且很必要的技术,这样可以减小太赫兹系统的尺寸并拓宽太赫兹的应用范围.到目前为止,在芯片

5、上制作的太赫兹发射器和探测器的性能还不是特别理想.场效应晶体管等利用半导体芯片制作的太赫兹发射器的平均功率很低(单管约为几纳瓦),而且不能大范围调节其发射频率.最新的太赫兹探测装置可以达到nW/Hz-2的灵敏度.由于石墨烯的高迁移率和可调节电阻,基于石墨烯的太赫兹器件可能会有更大的发射功率、更高的探测灵敏度和更好的调节能力节的太赫兹发射器和探测器成为可能。因为太赫兹光的透射率和反射率对石墨烯的电阻很敏感石墨烯异质结构中的载流子浓度可以通过外加的栅极电场大小进行调节.载流子浓度的升降会造成石墨烯结构的电阻率的变化.这种电阻的可调节性使得

6、石墨烯作为太赫兹器件很有应用前景.具体例子如下:(1)太赫兹调制器:在外场作用下,石墨烯表现出较高的电致电阻和磁致电阻,可以用来改变太赫兹光在石墨烯器件中透射率或反射率,从而实现赫兹调制器.(2)可调谐太赫兹滤波器:它与调制器工作原理相似,石墨烯太赫兹滤波器的透射率可以调节,且滤波器的频率范围也可调.(3)太赫兹波导:石墨烯优良的导电率和二维平面性质使其成为太赫兹波导材料的自然选择.而且作为波导材料,其反射率可以调节.(4)太赫兹起偏器:石墨烯可以很容易地长在硅片或碳化硅衬底上.窄带的石墨烯阵列对太赫兹光具有各向异性的透射率,从而可以

7、作为太赫兹起偏器使用.(5)太赫兹分光器:多层石墨烯可以用作太赫兹光的分光器,而且其透射光与分射光的比例可以通过石墨烯的层数及外加电场的大小进行调节,使得连续可调的太赫兹分光器成为可能.石墨烯中的电子可以在亚微米范围内没有阻碍地运动.电子以106m/s的速度,从源极转移到漏极只需要不到0.1ps的时间.除了高迁移率,石墨烯的低噪声使其能够用作场效应管的沟道[.最近人们已经成功地利用石墨烯制作出了具有京赫兹(GHz)响应频率的晶体管.