物理学家揭示太赫兹辐射导致石墨烯产生电流的机制

石墨烯的光响应。图片来源：Lion_on_helium,MIPT

莫斯科物理技术学院（MIPT）及英国和俄罗斯的物理学家们共同揭示了在太赫兹辐射下导致石墨烯中光电流的机制。该论文发表于AppliedPhysicsLetters，结束了关于高频辐射照射下石墨烯中直流电起源的长期争论，也为开发高灵敏度太赫兹探测器奠定了基础。这种探测器可用于医疗诊断，无线通信和安全系统。

2005年，MIPT校友AndreGeim和KonstantinNovoselov通过实验研究了电子在石墨烯中的特性。他们发现石墨烯中的电子以量子能量响应电磁辐射，而普通半导体材料由于低于该能量阈值而根本不产生光响应。然而由于多种因素，辐射下石墨烯中电子的运动方向长期以来一直存在争议。在由太赫兹辐射引起的光电流的情况下，争议尤其严峻。

太赫兹辐射具有一些独特的性质。例如，它可以轻易地穿过许多电介质而不会使其电离，这在医疗诊断或安全系统等领域特别重要。太赫兹相机可以检测隐藏在衣服下的武器，医疗扫描仪可以通过检测太赫兹范围内特征生物分子的谱线（“指纹”）在早期阶段揭示皮肤疾病。最后，若将Wi-Fi设备的载波频率提高到到太赫兹范围内就可以按比例增加带宽。但所有这些应用都需要一个易于制造的灵敏、低噪声的太赫兹探测器。

图1基于石墨烯的太赫兹探测器的接线图

太赫兹波辐射到连接左端（源极）和顶端（栅极）的天线上，使得左右两端之间激励起了直流光电流（或连续的电压，取决于测量机制），通过该电流便可以测量辐射密度。

由MIPT，MSPU和曼彻斯特大学的研究人员设计的太赫兹探测器是将石墨烯片夹在氮化硼介质层之间并与尺寸约为1毫米的太赫兹天线耦合（图1和2中绿色部分）。当电磁波辐射到天线时，石墨烯的一侧产生电子，而在另一侧则会产生直流电。氮化硼封装可以使石墨烯实现创纪录的高电特性，使检测器具有更高的灵敏度。但是，这项研究的主要成果并不是性能更好的仪器，而是洞察光电流背后的物理机理。

石墨烯受太赫兹辐射产生电流主要有三种效应：第一是光热电效应，是由于天线端和感应端之间的温差引起的。电子从热的一端移动到冷的一端，就像空气从暖气片上升到冷天花板。第二是终端电流的整流，事实证明，石墨烯的边缘只能通过一定极性的高频信号。第三个也是最有趣的效果叫做等离子波整流。我们可以想象，天线终端在石墨烯内的“电子海洋”中激起“波浪”，而感应端记录与这些“波浪”相关的平均电流。

“之前对于探测器中的光电流产生机理的解释只包括了其中一种机制，并排除了其他的，”MIPT的DmitrySvintsov说，“实际上，三种效应都在发挥作用，我们的研究发现了不同效应占主导地位时所需的不同条件：热电效应在低温下占主导地位，而在高温和长通道仪器中普遍存在等离子体校正。更重要的是，我们知道了如何制造一种探测器，其不同的光响应机制不会相互抵消，而是相互加强。”

图2太赫兹探测器的工作区：绿带为石墨烯，金色通道通向天线和感应电流表。白色带长6微米。图片来源：Lion_on_helium，MIPT

这些实验将有助于太赫兹探测器的最佳设计以及危险物质远程检测设备的开发，安全医疗诊断和高速无线通信。