THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计
石墨烯
1.石墨烯（Graphene）的结构石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。
如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。
C原子外层3个电子通过sp²杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。
石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。
如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。
形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。
每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。
图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。
图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。
前两类具有相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。
双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。
单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
张永林第二版《光电子技术》课后习题答案
1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm 400~760nm 频率：385T~790THz 400T~750THz 能量：1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx ，求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。
32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.3621.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0()0.3v m e v v v v v v v vv v vK V lm d I d S RhR R I cddI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=⨯⨯⨯=Φ∆Φ==Ω∆Ω∆∆Ω===-∆Φ===⨯--∆∆====⨯∆Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=⨯⨯'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v vvv v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T 的升高而减小。
宽频带超材料完美吸波器研究现状
宽频带超材料完美吸波器研究现状超材料是一种人工设计的周期性微纳结构材料，由于其具有天然常规材料所不具备的诸如负折射率、完美吸收、逆多普勒效应等特殊性能，近年来引起人们的极大关注。
超材料完美吸收器（PMA）作为超材料的一个重要分支，可以在特定波段对电磁波实现近乎完全的吸收。
自2008年LANDY等首次在11.5 GHz实现完美吸收后，PMA得到了快速的发展，并已实现在太赫兹波段、红外波段以及可见光波段的完美吸收。
虽然实现窄带的完美吸收是容易的，但是宽频带的完美吸收尤其是太赫兹及更高频段的宽频带完美吸收是相对困难的，这是由它的吸收机制、表面等离子共振（SPR）所引起的固有窄带造成的。
但对光电探测、光伏器件等十分具有发展前景的领域来说，实现宽带吸收是必要的。
因而，本文综述了近年来宽频带PMA的实现方法及相关应用，以期为宽频带PMA的发展提供帮助。
1 宽频带PMA的结构金属-介质-金属（MⅠM）三层结构，是设计PMA的普遍思路，不同类型的PMA均是在此结构基础上发展而来的。
近年来的研究认为，实现宽带吸收主要可以通过以下3种方式：①选用合适的材料，主要是难熔金属等，并通过恰当的几何设计，降低品质因数（Q值）实现宽带吸收；②在一个结构单元中包含多个尺寸差异较小、吸收峰较为接近的谐振器，并使其吸收峰互相融合，形成宽带吸收；③在同一结构单元中实现表面等离极化激元（SPP）、局域表面等离子共振（LSP）、法布里-珀罗（FP）等多种共振模式，进而实现宽带吸收。
1.1 金属-介质-金属型由于贵金属更易激发SPR，早期的PMA研究常采用贵金属金、银等，但这并不利于宽带的实现，且价格昂贵。
具有高损耗性能的难熔金属铬、钛、钨、镍等有助于增强电阻效应，降低Q值，增加吸收器的带宽，近年来被广泛应用于宽频带PMA的设计中。
ÜSTÜN等选用圆盘状金属Ti作为顶部金属层，中间介质层选用Ge，金属Al为底部金属，设计了一种结构简单、易于加工的3层结构，实现了在长波红外波段8～12.7 μm范围90%以上的吸收，将中间介质层换为SiO2并适当改变结构尺寸，可以实现在中红外波段2.41～5.4 μm 范围90%以上的吸收。
宽带太赫兹波的产生与探测方法研究
宽带太赫兹波的产生与探测方法研究宽带太赫兹波（THz波）是指频率范围在0.1THz到10THz之间的电磁波。
由于其具有较高的频率和较短的波长，THz波在材料特性的研究、成像、非破坏检测以及通信等领域拥有广泛的应用潜力。
然而，由于THz 波的发射和探测技术较为复杂，目前仍处于研究和发展阶段。
宽带太赫兹波的产生有多种方法，其中最常用的方式是通过激光光源产生THz脉冲。
最早的方法是使用电光晶体通过光学整流效应将激光分为两束，然后通过非线性介质的相互作用将两束光重新合成为太赫兹波。
近年来，人们提出了基于激光等离子体光栅、电光晶格和倍频器等方法进行THz波的产生。
这些方法都可以在实验室中产生较强的THz脉冲，但仍然存在一些限制，如较低的发射效率、大尺寸和复杂性等。
宽带太赫兹波的探测方法主要分为光电探测和热电探测两种。
光电探测是通过光电效应将THz波转换为电信号进行探测。
常见的光电探测器包括光电导天线，其由一对间距足够小的金属电极组成，当THz波通过电极时，会在电极上产生电荷，进而可以被检测到。
此外，还有基于太赫兹量子阱结构、双极性电子和磁效应等的光电探测器。
这些光电探测器具有高响应速度、高灵敏度和宽带特性，但在一些特定领域仍存在一些问题，如光电探测器对环境光的干扰较大，在暗地条件下无法正常工作。
热电探测是通过热效应将THz波转换为电信号进行探测。
热敏材料是热电探测器的关键部件，常见的热敏材料包括氢化硅、磷化铟等。
当THz 波通过热敏材料时，会被材料吸收，使材料温度发生变化，进而产生热电效应。
通过测量材料温度变化所产生的电信号，可以获得THz波的信息。
热电探测器具有较高的灵敏度和较宽的工作频率范围，但由于热敏材料的特性限制，其响应速度较低。
除了光电探测和热电探测方法外，还有一些其他的探测方法，如基于太赫兹电场效应的探测、基于太赫兹激光的透射、反射和散射等。
这些方法各有优势和局限性，可以根据具体需求选择合适的方法进行探测。
基于石墨烯的1064 nm连续锁模超短脉冲激光器
基于石墨烯的1064 nm连续锁模超短脉冲激光器史瑞平;白杨;祁媚;魏洪铎;任兆玉;白晋涛【摘要】介绍了利用沉积在增透镜上的石墨烯薄膜作为可饱和吸收体、808 nm 激光二极管端面泵浦Nd ∶YVO4晶体的1 064 nm连续锁模激光输出特性.采用W型折叠谐振腔结构,在808nm泵浦功率为8.0W时,有稳定的连续锁模脉冲输出,平均输出功率达到185 mW;当抽运功率增加到16.0W时,获得了中心波长1 063.4 nm、脉冲宽度为518 fs、重复频率为66.7 MHz、最大平均输出功率为323mW 的百飞秒量级超短脉冲激光输出.实验结果表明:石墨烯具有优良的可饱和吸收性,在1 064 nm波段能够实现高功率、百飞秒量级连续锁模脉冲激光输出.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2014(035)001【总页数】4页(P159-162)【关键词】连续锁模;超短脉冲;石墨烯可饱和吸收体;全固态激光器【作者】史瑞平;白杨;祁媚;魏洪铎;任兆玉;白晋涛【作者单位】西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学物理学系,陕西西安710069;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学物理学系,陕西西安710069;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学物理学系,陕西西安710069【正文语种】中文【中图分类】TN219;O43引言近年来，高平均功率、高重复频率全固态被动锁模激光器以其窄脉宽、宽光谱、高功率和高重复频率等特点被广泛应用于激光光谱、量子相干控制、医学、光通信和分子反应动力学等领域。
基于MgO：LiNbO_3晶体的THz波参量振荡器理论设计
１ 理 论 分 析 和 计 算
１１ Ｌ Ｔ Ｏ 的调谐 特 性和 角度 匹配方 式 ． Ｎ—Ｐ
技术相 比，Ｔ Ｏ 仅 需要一个 固定波长 的泵浦 源和 Ｐ
一
块非线性 晶体 （ 例如 ＬＮ Ｏ 晶体 ） ｉｂ ， ，并且 具有相
ＬＮｂ ｉ Ｏ 晶体 的 ， 最低对 称光 学软模 同时具பைடு நூலகம்
０ 引言
１９ ６年 日本理化 学研 究所 （ Ｋ Ｎ）的 Ｋ ｄ ９ ＲＩ Ｅ ｏｏ
Ｋ ｗａｅ等人 首次实现 了基 于非线性 ＬＮ Ｏ 的 ａ ｓ ｉｂ ，
ＬＮ Ｏ 晶体 构成 的 Ｔ Ｏ，通过改变泵浦 光与 Ｔ Ｏ ｉｂ Ｐ Ｐ
谐振腔 腔轴 的夹角 实现 Ｔ ｚ波调谐输 出 。本文 Ｈ
基 于 Ｍｇ Ｏ：ＬＮｂ 晶体 的 Ｔ ｚ波 参 量 振 荡 器 理 论 设 计 ｉ Ｏ３ Ｈ
江容容 ，丁春峰 ，赵兴 涛
（ ．郑州大学 河南省激光与光电信 息技术重点实验 室，河南 郑 州 ４ ０ ５ ；２ １ ５ ０２ ．燕山大学 信 息科 学与工程 学院 河北 秦皇 岛 ０ ６ ０ ） ６０ ４
关键 词 ：Ｔ 波 参 量 振 荡 器 ； 非共 线 相 位 匹 配 ；Ｍｇ ＬＮ Ｏ 晶体 ； 电磁耦 子 Ｈｚ Ｏ： ｉｂ ｓ
中图 分 类 号 ：０４ ７４ ３．
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｄ ：１ ．９ ９ ．ｓ ．０ ７７ １ ２ １ ．２０ ０ ＯＩ ０３ ６ ／ｉ ｎ１ ０ — ９ Ｘ．０ １ ．１ ｊｓ Ｏ
第３ ５卷 第 ２期
２ １ 年 ３月 ０１
燕 山大 学 学 报
Ｊｕ ｎ ｌ ｆ ａ ｓａ ｉｅｓ ｙ ｏ ｒ ａ ｏ ｎ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ Ｙ ｔ
太赫兹波的产生及探测方法综述
图七
光电导天线采样原理示意图
3、空气探测方法
空气探测法是一种新的 THz 探测方法，该种方法利用飞秒激光与空气等离 子体相互作用产生较强的太赫兹波脉冲辐射的原理，从而探测到太赫兹波的时 域波形。2006 年，Jiangming Dai 和 X.-C. Zhang 等人，根据 THz 辐射的产生 和探测是互逆过程这一理论， 利用三阶非线性性质实现了空气等离子体探测 THz 电场。 该方法利用空气做介质，在外加偏置电场下利用探测光离化空气产生等离 子体并辐射激光脉冲的二次谐波，相干探测太赫兹波脉冲，因此也称为 Air-Biased-Coherent-Detection， 即 ABCD。 在太赫兹波辐射源较宽的情况下， 空气探测方法不受晶体声子吸收的影响， 因此它所探测到的谱能够覆盖整个 “太 赫兹波间隙”，目前报道的利用该方法探测已经可以得到 30THz 的谱，因此这
图四
等离子体有质动力产生太赫兹波
另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫 兹。将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离 形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是 一个三阶的非线性四波整流（ 混频） 过程 ，称之为 Four Wave Rectification-FWR （或 Four Wave Mixing-FWM）。 图五为四波混频辐射太赫兹示意图。
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波 段具有很多独特的性质： （1）宽带性：一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个 脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱 性质。 （2）瞬态性：太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、 飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背 景辐射噪音的干扰。 （3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV， 一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的 电离，便于对生物体进行活体检验。 （4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激 光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的， 它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问 题有很大的优势。 （5）透射性：除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透 性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。 （6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光 谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广 阔的应用前景。
太赫兹天线（二）
DCWTechnology Lecture技术讲座1数字通信世界2024.04上一讲所介绍的传统型天线，仍不能完全满足未来6G 等对利用太赫兹通信电路的要求，例如，平面电路广泛采用的微带贴片天线，天线效率较低，每个单元增益仅一至数分贝，甚至为负值，相对带宽（通频带上下限频率差与中心频率之比）仅百分之一左右，天线效率也欠佳，此外，在天线的可重构（工作频率、多波束、波束扫描等）方面也难以提供更多、更大的灵活性。
光电导天线是利用光致电导效应，用一束光脉冲或两束不同频率的连续波激光作用于光电器件，将光转换为太赫兹频率的电磁波，既可作为太赫兹源，又可作为辐射太赫兹波的天线，并因其具有高强度、高辐射效率和宽带响应性能而成为太赫兹技术生要的组成部分。
此外，利用太赫兹工作波长极短的特点，以及相应出现的亚波长技术，即电路尺寸远小于太赫兹波长的技术，可进一步制作出芯片上天线，更好地实现与其他射频电路集成。
但芯片天线也面临若干技术的挑战。
石墨烯等新材料的出现和超材料、超平面和衬底集成波导的理论与技术的成果，为太赫兹天线集成芯片化开辟了新的有效的途径。
1 光电导天线（PhotoconductiveAntenna，PCA）[1]-[7]1.1 基本原理与构成太赫兹波光电导天线（PCA ）原理如图1所示。
通常是在由III-V 族化合物加工而得到的半绝缘高电阻Si-GaAs 做的衬底上，外延生长出一层GaAs 半导体薄膜。
在此薄膜上沉积出金属电极，并加上偏置电压；二电极间接一偶极子，将波长为800 nm 或1 100~1 550 nm的激光用飞秒（1 ps 或更高）脉冲调制后，照射偶极子间隙处的半导体薄膜，激光光子被半导体薄膜材料吸收，当光子能量大于半导体导带与价带之间的能带带隙时，便将载流子（电子）从价带激发到导带，而价带出现空穴，形成空穴-电子对，成为自由载流子，然后它们被偏置产生的电场加速，载流子电荷的运动便是电流，称为光生电流，简称光电流。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词: 石墨烯光电探测器, 谐振腔, 太赫兹, 吸收率 PACS: 81.05.ue, 85.60.–q, 95.85.Fm DOI: 10.7498/aps.65.168101
二维 THz QWP 阵列构建, 使器件实时性较差 [8] .
1 引
言
THz 石墨烯光电探测器 (graphene photodetector, GPD) 由于石墨烯具有独特的零带隙结构、 高电子 迁移率、 低电阻率、 光电可调性等特性 [9,10] , 使 THz GPD 具有高响应度、 高灵敏度等特点, 并成为 THz 光电探测领域的研究热点 [1] . 目前, 对 THz GPD 的研究已经有很多报道: 2009 年, Wright 等 [11] 研 究了双层石墨烯纳米带在 THz 波段的光电导增强 效应, 发现通过改变双层石墨烯纳米带的结构, 在 THz 波段, 具有强光学响应; 2011 年, Ryzhii 等 [12] 开发了基于多层石墨烯结构的 PIN 型 THz-红外光 电探测器; 2012 年, Vicarelli 等 [13] 研制了基于天 线耦合的石墨烯场效应管 THz 光电探测器, 利用 沟道内激发的等离子体波与 THz 波共振, 实现了 对 0.3 THz 电磁波的灵敏探测; 2013 年, Mittendorff 等 [14] 研制了宽带 THz GPD, 采用对数周期 天线作为光耦合器, 器件响应度达到了 5 nA/W; 同年, Muraviev 等 [15] 研究了基于背栅结构的石墨
管 THz 光电探测器, 在 0.29—0.38 THz, 响应度为 1.2 V/W. 以上探测器结构多为将石墨烯场效应晶 体管与天线结构相结合实现对 THz 波的探测, 采 用多层石墨烯或利用等离子体波与 THz 波共振来 增强器件的吸收. 但由于 THz 波能量小, 石墨烯对 THz 波的吸收有限, 极大限制了以上探测器的吸 收. 采用谐振腔与石墨烯结合, 通过将 THz 波限制 在腔内, 发生多次反射并穿过石墨烯, 可以达到增 强探测器对 THz 波吸收的目的. 目前国内外有关 谐振腔型 GPD, 常见于对可见光至近红外波段的 研究
您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 化学气相沉积法制备的石墨烯晶畴的氢气刻蚀 Hydrogen etching of chemical vapor deposition-grown graphene domains 物理学报.2016, 65(9): 098101 /10.7498/aps.65.098101 基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体 Tunable terahertz absorber based on complementary graphene meta-surface 物理学报.2016, 65(1): 018101 /10.7498/aps.65.018101 含石墨烯临界耦合谐振器的吸收特性研究 Study on the absorbing properties of critically coupled resonator with graphene 物理学报.2015, 64(23): 238103 /10.7498/aps.64.238103 单层石墨烯带传输模式及其对气体分子振动谱的传感特性研究 Transmission mode of a single layer graphene and its performance in the detection of the vibration spectrum of gas molecular 物理学报.2015, 64(19): 198102 /10.7498/aps.64.198102 石墨烯 -六方氮化硼面内异质结构的扫描隧道显微学研究 Scanning tunneling microscopy study of in-plane graphene-hexagonal boron nitride heterostructures 物理学报.2015, 64(7): 078101 /10.7498/aps.64.078101
[16]
(2) (3) (4)
结合石墨
烯与集成隙缝蝶形天线, 制成场效应晶体管 THz 光电探测器, 在 0.6 THz 处, 响应度达到 14 V/W; 同年, Spirito 等
[17]
研制出双层石墨烯场z z − − i k1,z z (E e − E1 e )ˆ ey , ωµ0 1 k2,z + i k2,z z − − i k2,z z H2 = (E e − E2 e )ˆ ey , ωµ0 2 H1 =
[6,7]
, 但 由 于 采 用 非 垂 直 入 射 方 式, 不 利 于
∗ 北京市自然科学基金 (批准号: 7152089) 资助的课题. † 通信作者. E-mail: liuhx08@
© 2016 中国物理学会 Chinese Physical Society 168101-1
引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 65, 168101 (2016) DOI: 10.7498/aps.65.168101 在线阅读 View online: /10.7498/aps.65.168101 当期内容 View table of contents: /CN/Y2016/V65/I16
由于石墨烯在太赫兹波范围内只发生带内跃迁, 相比在可见光范围内, 其光学吸收特性有显著优势, 通过 集成石墨烯与谐振腔, 将太赫兹波限制在腔内, 可进一步增强石墨烯对太赫兹波的吸收. 采用麦克斯韦方程 组并结合电磁场边界条件, 研究了单层石墨烯在太赫兹波段范围内的光吸收机理; 推导出石墨烯的传输矩阵 和吸收系数方程, 发现在太赫兹波段石墨烯的吸收是在可见光波段吸收的 9—22 倍; 通过建立谐振腔型石墨 烯光电探测器在太赫兹波段的光吸收模型及求解探测器吸收率方程, 发现在 0.12 THz 处, 吸收率可达 0.965, 相比无腔状态下石墨烯在太赫兹波段的最大吸收率 0.5, 提高了 93%; 优化设计器件结构参数并表征, 最终器 件响应度最高达到 236.7 A/W, 半高全宽为 0.035 THz. 理论分析表明, 采用谐振腔型石墨烯光电探测器对太 赫兹波进行探测, 具有高吸收率、 高响应度. 研究结果对于太赫兹谐振腔型石墨烯光电探测器的设计和应用提 供了理论参考.
[18,19]
式中, µ0 为真空磁导率; ω 为光波角频率; k1,z 和 k2,z 分别为位于石墨烯两侧的波矢. 在石墨烯分界 面处的电磁场边界条件为 ˆ × (E1 − E2 ) = 0, n ˆ × (H1 − H2 ) = σE2 , n (5) (6)
(6) 式中 σ 为石墨烯电导率. 将 (1) 式 —(4) 式代入 (5) 式和 (6) 式中, 可得
太赫兹 (Terahertz, THz) 波段是介于微波毫 米 波 与 红 外 之 间 的 电 磁 波 段, 其 频 率 范 围 指 0.1—10 THz (波长范围为 30 µm—3 mm)
[1]
. 由
于 THz 具有方向性强、 能量集中、 辐射穿透能力强 (能够穿透烟雾、 浮尘等非金属和非极性材料) 等特 点, 使 THz 光电探测器在雷达探测、 遥感成像、 无 线电通信等领域具有广阔的应用前景 [2,3] . 随着在 THz 源方面, 具有能量转换效率高、 体积小、 易集成 的 THz 量子级联激光器 (quantum cascade lasers, QCL) [4,5] 的出现, 给 THz 光电探测技术带来了新 的机遇, 对具有高灵敏度的 THz 光电探测器的研制 提出更高的要求. 传统的 THz 光电探测器以具有 响应速度快、 体积小等特点的 THz 半导体量子阱 光电探测器 (quantum well photodetector, QWP) 为主
物 理 学 报 Acta Phys. Sin.
Vol. 65, No. 16 (2016) 168101
THz 谐振腔型石墨烯光电探测器的设计∗
梁振江 刘海霞 † 牛燕雄 刘凯铭 尹贻恒
100191) (北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京
( 2016 年 4 月 23 日收到; 2016 年 5 月 30 日收到修改稿 )
[20]
(8)
联 立 方 程 (7) 和 (8), 可 求 得 电 场 E1 和 E2 之 间 的 关系: ωµ0 σ ωµ0 σ 1 + + E1 E+ 2 k 2 k 0,z 0,z 2 = ωµ0 σ ωµ0 σ E − − E1 − 1− 2 2k0,z 2k0,z E+ M11 M12 2 , = (9) − E2 M21 M22
[21]
, 联合麦克斯韦
√ 式中, k0,z = ω µ0 ε0 为真空中的波矢. 从 (9) 式中 得到处于空气中的单层石墨烯的传输矩阵为 ωµ0 σ ωµ0 σ 1+ M11 M12 2k0,z 2k0,z = Mg = ωµ0 σ ωµ0 σ M21 M22 − 1− 2k0,z 2k0,z Z0 σ Z0 σ 1 + 2 2 , = (10) Z σ Z σ 0 0 − 1− 2 2 √ 其中 Z0 = µ0 /ε0 = 377 Ω 为真空阻抗; 根据 (10) 式得到单层石墨烯对入射光的吸收率 A 和吸收系 数α为 A=1−R−T =1− Z0 σ /2 1 + Z0 σ /2 ln(1 − A) α= − , d =1−
THz 谐振腔型石墨烯光电探测器的设计 梁振江 刘海霞 牛燕雄 刘凯铭 尹贻恒 Design and performance analysis of THz microcavity-enhanced graphene photodetector Liang Zhen-Jiang Liu Hai-Xia Niu Yan-Xiong Liu Kai-Ming Yin Yi-Heng