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超高灵敏度石墨烯太赫兹探测器研究获突破

企业新闻 / 2021-08-13 02:27

本文摘要:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用于重点实验室秦华团队与中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室合作,顺利取得了高灵敏度石墨烯(Graphene)太赫兹探测器,灵敏度超过同类石墨烯探测器的最差水平,该结果近期公开发表在碳材料杂志Carbon(116,760-765(2017))上。太赫兹波(Terahertzwave)是频率介于红外和毫米波之间的电磁波,在信息、生物医学和环境检测等领域具备最重要应用于前景。

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中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用于重点实验室秦华团队与中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室合作,顺利取得了高灵敏度石墨烯(Graphene)太赫兹探测器,灵敏度超过同类石墨烯探测器的最差水平,该结果近期公开发表在碳材料杂志Carbon(116,760-765(2017))上。太赫兹波(Terahertzwave)是频率介于红外和毫米波之间的电磁波,在信息、生物医学和环境检测等领域具备最重要应用于前景。

然而太赫兹科技的发展仍然受限于小型化高功率光源和室温高灵敏度探测器技术短缺的瓶颈问题。目前,光源与探测器技术获得了大幅度提高,并且太赫兹光学技术于是以逐步转入危化品波谱观测、生物光学和人体安全检查等应用领域,但在0.3-3.0THz核心“太赫兹空白区”的高功率闪烁和高灵敏度观测仍归属于技术难题。例如,室温工作、升空频率低于0.3THz并且输出功率超过1-100毫瓦量级的固态太赫兹光源还正处于研发阶段。

又如,远距离动态被动式太赫兹人体安全检查拒绝探测器的噪声等效功率(NEP)在10-15W/Hz1/2量级以下,而目前只有在极低温工作的超导探测器需要相似该灵敏度。因此,发展室温工作的超强高灵敏度太赫兹探测器对前进太赫兹技术应用于具备最重要意义。苏州纳米所团队仍然致力于室温超强高灵敏度太赫兹探测器的研究,基于常规半导体异质结(如AlGaN/GaN)和石墨烯等新型二维电子气(Two-dimensionalelectrongas,2DEG)研制太赫兹混频(Mixing)探测器。

石墨烯等狄拉克二维电子材料为高效混频观测获取了高电子迁移率、宽频带上光学吸取、低可回声费米能级、双极型载流子及其非线性输送等出色特性。此次进展由两个重点实验室合作取得,充分发挥了碳化硅(SiC)衬底外延生长的高质量双层石墨烯、高效偶极天线与探测器设计、自对准天线栅极工艺等优势,使0.34THz频段的石墨烯太赫兹自混频(Self-mixing/Homodynemixing)探测器的电压号召度超过了30V/W,使探测器电阻减少到203Ω以下(探测器热噪声电压大于朗读电路电压噪声),测算噪声等效功率大约163pW/Hz1/2(热噪声容许的等效噪声功率仅有为51pW/Hz1/2)。基于该探测器构建了对新鲜树叶的明晰投影光学。

目前,牵头团队已更进一步构建了石墨烯外差混频(Heterodynemixing)和分谐波混频(Sub-harmonicmixing),最低观测频率超过0.65THz。此次合作突破了苏州纳米所团队前期取得的基于CVD生长石墨烯的探测器噪声等效功率(~207,000pW/Hz1/2)(Chin.Phys.B24,047206(2015)),超过并检验了2013年预测的观测灵敏度水平(Appl.Phys.Lett.103,173507(2013))。

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研究结果表明:或可进一步提高石墨烯探测器的灵敏度2-3个数量级,但其实用化技术的构成仍尚待更进一步突破设计和生产等关键技术。太赫兹探测器的研制工作获得了国家自然科学基金项目(No.。


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