物理學家揭示太赫茲輻射導致石墨烯產生電流的機制

石墨烯的光響應。圖片來源：Lion_on_helium,MIPT

莫斯科物理技術學院（MIPT）及英國和俄羅斯的物理學家們共同揭示了在太赫茲輻射下導致石墨烯中光電流的機制。該論文發表于AppliedPhysicsLetters，結束了關于高頻輻射照射下石墨烯中直流電起源的長期爭論，也為開發高靈敏度太赫茲探測器奠定了基礎。這種探測器可用于醫療診斷，無線通信和安全系統。

2005年，MIPT校友AndreGeim和KonstantinNovoselov通過實驗研究了電子在石墨烯中的特性。他們發現石墨烯中的電子以量子能量響應電磁輻射，而普通半導體材料由于低于該能量閾值而根本不產生光響應。然而由于多種因素，輻射下石墨烯中電子的運動方向長期以來一直存在爭議。在由太赫茲輻射引起的光電流的情況下，爭議尤其嚴峻。

太赫茲輻射具有一些獨特的性質。例如，它可以輕易地穿過許多電介質而不會使其電離，這在醫療診斷或安全系統等領域特別重要。太赫茲相機可以檢測隱藏在衣服下的武器，醫療掃描儀可以通過檢測太赫茲范圍內特征生物分子的譜線（“指紋”）在早期階段揭示皮膚疾病。最后，若將Wi-Fi設備的載波頻率提高到到太赫茲范圍內就可以按比例增加帶寬。但所有這些應用都需要一個易于制造的靈敏、低噪聲的太赫茲探測器。

圖1基于石墨烯的太赫茲探測器的接線圖

太赫茲波輻射到連接左端（源極）和頂端（柵極）的天線上，使得左右兩端之間激勵起了直流光電流（或連續的電壓，取決于測量機制），通過該電流便可以測量輻射密度。

由MIPT，MSPU和曼徹斯特大學的研究人員設計的太赫茲探測器是將石墨烯片夾在氮化硼介質層之間并與尺寸約為1毫米的太赫茲天線耦合（圖1和2中綠色部分）。當電磁波輻射到天線時，石墨烯的一側產生電子，而在另一側則會產生直流電。氮化硼封裝可以使石墨烯實現創紀錄的高電特性，使檢測器具有更高的靈敏度。但是，這項研究的主要成果并不是性能更好的儀器，而是洞察光電流背后的物理機理。

石墨烯受太赫茲輻射產生電流主要有三種效應：第一是光熱電效應，是由于天線端和感應端之間的溫差引起的。電子從熱的一端移動到冷的一端，就像空氣從暖氣片上升到冷天花板。第二是終端電流的整流，事實證明，石墨烯的邊緣只能通過一定極性的高頻信號。第三個也是最有趣的效果叫做等離子波整流。我們可以想象，天線終端在石墨烯內的“電子海洋”中激起“波浪”，而感應端記錄與這些“波浪”相關的平均電流。

“之前對于探測器中的光電流產生機理的解釋只包括了其中一種機制，并排除了其他的，”MIPT的DmitrySvintsov說，“實際上，三種效應都在發揮作用，我們的研究發現了不同效應占主導地位時所需的不同條件：熱電效應在低溫下占主導地位，而在高溫和長通道儀器中普遍存在等離子體校正。更重要的是，我們知道了如何制造一種探測器，其不同的光響應機制不會相互抵消，而是相互加強。”

圖2太赫茲探測器的工作區：綠帶為石墨烯，金色通道通向天線和感應電流表。白色帶長6微米。圖片來源：Lion_on_helium，MIPT

這些實驗將有助于太赫茲探測器的最佳設計以及危險物質遠程檢測設備的開發，安全醫療診斷和高速無線通信。