耦合蝶形天线的石墨烯室温太赫兹探测器

杨嘉炜 郑春阳 庞亚会 纪仲阳 李雨芮 胡嘉仪 朱江瑞 陆琪 林立 刘忠范 胡清梅 关宝璐 尹建波

引用本文: 杨嘉炜, 郑春阳, 庞亚会, 纪仲阳, 李雨芮, 胡嘉仪, 朱江瑞, 陆琪, 林立, 刘忠范, 胡清梅, 关宝璐, 尹建波. 耦合蝶形天线的石墨烯室温太赫兹探测器[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 230701. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307012 shu
Citation:  Jiawei Yang, Chunyang Zheng, Yahui Pang, Zhongyang Ji, Yurui Li, Jiayi Hu, Jiangrui Zhu, Qi Lu, Li Lin, Zhongfan Liu, Qingmei Hu, Baolu Guan, Jianbo Yin. Graphene Based Room-Temperature Terahertz Detector with Integrated Bow-Tie Antenna[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(10): 230701. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307012 shu

耦合蝶形天线的石墨烯室温太赫兹探测器

    通讯作者: 胡清梅, huqm@bgi-graphene.com; 关宝璐, gbl@bjut.edu.cn; 尹建波, yinjb-cnc@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2020YFA0308900

    国家自然科学基金 T2188101

    国家自然科学基金 52072043

    国家自然科学基金 60908012

    国家自然科学基金 61575008

    国家自然科学基金 61775007

    北京市自然科学基金 4172011

摘要: 高灵敏度、可室温下工作的太赫兹(THz)探测器是太赫兹在生物技术、量子传输、通信、成像等领域得以应用的关键。本文报道了一种石墨烯太赫兹探测器设计方法,该探测器通过将蝶形天线与石墨烯pn结构建至一个器件中,利用蝶形金属天线将波长为110 mm (2.7 THz)的太赫兹远场光汇聚至约800 nm的石墨烯THz吸收层,同时将这蝶形天线的两极设计为两个独立栅极,将800 nm的吸收层转变为可分离光电子的pn结区,通过增强局域光场增加太赫兹吸收,并同时增强光电子分离效率,将正交极化方向的消光比提升了1到2个数量级,在室温下实现了较低的噪声等效功率(NEP) ~1 nW∙Hz−1/2。这一设计为太赫兹探测提供了新的技术路径。

English

    1. [1]

      Ferguson, B.; Zhang, X. C. Nat. Mater. 2002, 1, 26. doi: 10.1038/nmat708

    2. [2]

      Boppel, S.; Lisauskas, A.; Mundt, M.; Seliuta, D.; Minkevicius, L.; Kasalynas, I.; Valusis, G.; Mittendorff, M.; Winnerl, S.; Krozer, V.; et al. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2012, 60, 3834. doi: 10.1109/TMTT.2012.2221732

    3. [3]

      Pickwell, E.; Wallace, V. P. J. Phys. D-Appl. Phys. 2006, 39, R301. doi: 10.1088/0022-3727/39/17/R01

    4. [4]

      Song, H. -J.; Nagatsuma, T. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011, 1, 256. doi: 10.1109/TTHZ.2011.2159552

    5. [5]

      Mittleman, D. M.; Gupta, M.; Neelamani, R.; Baraniuk, R. G.; Rudd, J. V.; Koch, M. Appl. Phys. B 1999, 68, 1085. doi: 10.1007/s003400050750

    6. [6]

      Harde, H.; Keiding, S.; Grischkowsky, D. Phys. Rev. Lett. 1991, 66, 1834. doi: 10.1103/PhysRevLett.66.1834

    7. [7]

      Leitner, D. M.; Havenith, M.; Gruebele, M. Int. Rev. Phys. Chem. 2006, 25, 553. doi: 10.1080/01442350600862117

    8. [8]

      Lien Nguyen, K.; Friščić, T.; Day, G. M.; Gladden, L. F.; Jones, W. Nat. Mater. 2007, 6, 206. doi: 10.1038/nmat1848

    9. [9]

      Sensale-Rodriguez, B.; Yan, R.; Kelly, M. M.; Fang, T.; Tahy, K.; Hwang, W. S.; Jena, D.; Liu, L.; Xing, H. G. Nat. Commun. 2012, 3, 780. doi: 10.1038/ncomms1787

    10. [10]

      Beck, M.; Klammer, M.; Lang, S.; Leiderer, P.; Kabanov, V. V.; Gol'tsman, G. N.; Demsar, J. Phys. Rev. Lett. 2011, 107, 177007. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.177007

    11. [11]

      Slocum, D. M.; Slingerland, E. J.; Giles, R. H.; Goyette, T. M. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2013, 127, 49. doi: 10.1016/j.jqsrt.2013.04.022

    12. [12]

      Lewis, R. A. J. Phys. D-Appl. Phys. 2019, 52, 433001. doi: 10.1088/1361-6463/ab31d5

    13. [13]

      Ajakaiye, O.; Grade, J.; Shin, C.; Kenny, T. Sensors Actuators A-Phys. 2007, 134, 575. doi: 10.1016/j.sna.2005.07.028

    14. [14]

      https://www.gentec-eo.com/chinese/products/THz5i-bl-bnc (accessed May 17, 2023)

    15. [15]

      https://www.scontel.ru/terahertz/(accessed May 17, 2023)

    16. [16]

      https://www.toptica.com/products/terahertz-systems/accessories/schottky-receivers/(accessed May 17, 2023)

    17. [17]

      Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. Science 2008, 320, 1308. doi: 10.1126/science.1156965

    18. [18]

      Chen, J. -H.; Jang, C.; Xiao, S.; Ishigami, M.; Fuhrer, M. S. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 206. doi: 10.1038/nnano.2008.58

    19. [19]

      Vicarelli, L.; Vitiello, M. S.; Coquillat, D.; Lombardo, A.; Ferrari, A. C.; Knap, W.; Polini, M.; Pellegrini, V.; Tredicucci, A. Nat. Mater. 2012, 11, 865. doi: 10.1038/nmat3417

    20. [20]

      Tan, R. -B.; Qin, H.; Sun, J. -D.; Zhang, X. -Y.; Zhang, B. -S. Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 173507. doi: 10.1063/1.4826118

    21. [21]

      Qin, H.; Sun, J.; Liang, S.; Li, X.; Yang, X.; He, Z.; Yu, C.; Feng, Z. Carbon 2017, 116, 760. doi: 10.1016/j.carbon.2017.02.037

    22. [22]

      Bandurin, D. A.; Svintsov, D.; Gayduchenko, I.; Xu, S. G.; Principi, A.; Moskotin, M.; Tretyakov, I.; Yagodkin, D.; Zhukov, S.; Taniguchi, T.; et al. Nat. Commun. 2018, 9, 4. doi: 10.1038/s41467-018-07848-w

    23. [23]

      Tomadin, A.; Brida, D.; Cerullo, G.; Ferrari, A. C.; Polini, M. Phys. Rev. B 2013, 88, 35430. doi: 10.1103/PhysRevB.88.035430

    24. [24]

      Brida, D.; Tomadin, A.; Manzoni, C.; Kim, Y. J.; Lombardo, A.; Milana, S.; Nair, R. R.; Novoselov, K. S.; Ferrari, A. C.; Cerullo, G.; Polini, M. Nat. Commun. 2013, 4, 1. doi: 10.1038/ncomms2987

    25. [25]

      Castilla, S.; Terrés, B.; Autore, M.; Viti, L.; Li, J.; Nikitin, A. Y.; Vangelidis, I.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Lidorikis, E.; et al. Nano Lett. 2019, 19, 2765. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b04171

    26. [26]

      Cai, X.; Sushkov, A. B.; Suess, R. J.; Jadidi, M. M.; Jenkins, G. S.; Nyakiti, L. O.; Myers-Ward, R. L.; Li, S.; Yan, J.; et al. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 814. doi: 10.1038/nnano.2014.182

    27. [27]

      Viti, L.; Purdie, D. G.; Lombardo, A.; Ferrari, A. C.; Vitiello, M. S. Nano Lett. 2020, 20, 3169. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b05207

    28. [28]

      Koppens, F. H. L.; Mueller, T.; Avouris, Ph.; Ferrari, A. C.; Vitiello, M. S.; Polini, M. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 780. doi: 10.1038/nnano.2014.215

    29. [29]

      Gabor, N. M.; Song, J. C. W.; Ma, Q.; Nair, N. L.; Taychatanapat, T.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Levitov, L. S.; Jarillo-Herrero, P. Science 2011, 334, 648. doi: 10.1126/science.1211384

    30. [30]

      Tielrooij, K. J.; Piatkowski, L.; Massicotte, M.; Woessner, A.; Ma, Q.; Lee, Y.; Myhro, K. S.; Lau, C. N.; Jarillo-Herrero, P.; van Hulst, N. F.; et al. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 437. doi: 10.1038/nnano.2015.54

    31. [31]

      Mics, Z.; Tielrooij, K. -J.; Parvez, K.; Jensen, S. A.; Ivanov, I.; Feng, X.; Müllen, K.; Bonn, M.; Turchinovich, D. Nat. Commun. 2015, 6, 7655. doi: 10.1038/ncomms8655

    32. [32]

      Song, J. C. W.; Rudner, M. S.; Marcus, C. M.; Levitov, L. S. Nano Lett. 2011, 11, 4688. doi: 10.1021/nl202318u

    33. [33]

      Low, T.; Avouris, P. ACS Nano 2014, 8, 1086. doi: 10.1021/nn406627u

    34. [34]

      Engel, M.; Steiner, M.; Lombardo, A.; Ferrari, A. C.; Löhneysen, H. V.; Avouris, P.; Krupke, R. Nat. Commun. 2012, 3, 906. doi: 10.1038/ncomms1911

    35. [35]

      Shi, S. -F.; Xu, X.; Ralph, D. C.; McEuen, P. L. Nano Lett. 2011, 11, 1814. doi: 10.1021/nl200522t

    36. [36]

      Emani, N. K.; Chung, T. -F.; Ni, X.; Kildishev, A. V.; Chen, Y. P.; Boltasseva, A. Nano Lett. 2012, 12, 5202. doi: 10.1021/nl302322t

    37. [37]

      Wang, L.; Meric, I.; Huang, P. Y.; Gao, Q.; Gao, Y.; Tran, H.; Taniguchi, T.; Watanabe, K.; Campos, L. M.; Muller, D. A.; et al. Science 2013, 342, 614. doi: 10.1126/science.1244358

    38. [38]

      Ferrari, A. C.; Meyer, J. C.; Scardaci, V.; Casiraghi, C.; Lazzeri, M.; Mauri, F.; Piscanec, S.; Jiang, D.; Novoselov, K. S.; Roth, S.; et al. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 187401. doi: 10.1103/PhysRevLett.97.187401

    39. [39]

      Guo, W.; Wang, L.; Chen, X.; Liu, C.; Tang, W.; Guo, C.; Wang, J.; Lu, W. Opt. Lett. 2018, 43, 1647. doi: 10.1364/ol.43.001647

    40. [40]

      Goossens, S.; Navickaite, G.; Monasterio, C.; Gupta, S.; Piqueras, J. J.; Pérez, R.; Burwell, G.; Nikitskiy, I.; Lasanta, T.; Galán, T.; et al. Nat. Photonics 2017, 11, 366. doi: 10.1038/nphoton.2017.75

    41. [41]

      Spirito, D.; Coquillat, D.; De Bonis, S. L.; Lombardo, A.; Bruna, M.; Ferrari, A. C.; Pellegrini, V.; Tredicucci, A.; Knap, W.; Vitiello, M. S. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 061111. doi: 10.1063/1.4864082

    42. [42]

      Ahmad, Z.; Lisauskas, A.; Roskos, H. G. 9.74-THz Electronic Far-Infrared Detection Using Schottky Barrier Diodes in CMOS. 2014 IEEE International Electron Devices Meeting, San Francisco, CA, USA, 2014; 4.4.1–4.4.4, doi: 10.1109/iedm.2014.7046982

    43. [43]

      Zak, A.; Andersson, M. A.; Bauer, M.; Matukas, J.; Lisauskas, A.; Roskos, H. G.; Stake, J. Nano Lett. 2014, 14, 5834. doi: 10.1021/nl5027309

    44. [44]

      Asgari, M.; Riccardi, E.; Balci, O.; De Fazio, D.; Shinde, S. M.; Zhang, J.; Mignuzzi, S.; Koppens, F. H. L.; Ferrari, A. C.; Viti, L.; et al. ACS Nano 2021, 15, 17966. doi: 10.1021/acsnano.1c06432

    45. [45]

      Tan, Y. -W.; Zhang, Y.; Bolotin, K.; Zhao, Y.; Adam, S.; Hwang, E. H.; Das Sarma, S.; Stormer, H. L.; Kim, P. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 246803. doi: 10.1103/PhysRevLett.99.246803

    46. [46]

      Agarwal, H.; Terrés, B.; Orsini, L.; Montanaro, A.; Sorianello, V.; Pantouvaki, M.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Thourhout, D. V.; Romagnoli, M.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 1070. doi: 10.1038/s41467-021-20926-w

    47. [47]

      Mylnikov, D. A.; Titova, E. I.; Kashchenko, M. A.; Safonov, I. V.; Zhukov, S. S.; Semkin, V. A.; Novoselov, K. S.; Bandurin, D. A.; Svintsov, D. A. Nano Lett. 2023, 23, 220. doi: 10.1021/acs.nanolett.2c04119

    48. [48]

      Castilla, S.; Vangelidis, I.; Pusapati, V. -V.; Goldstein, J.; Autore, M.; Slipchenko, T.; Rajendran, K.; Kim, S.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 4872. doi: 10.1038/s41467-020-18544-z

    49. [49]

      Lemme, M. C.; Koppens, F. H. L.; Falk, A. L.; Rudner, M. S.; Park, H.; Levitov, L. S.; Marcus, C. M. Nano Lett. 2011, 11, 4134. doi: 10.1021/nl2019068

    50. [50]

      Viti, L.; Cadore, A. R.; Yang, X.; Vorobiev, A.; Muench, J. E.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Stake, J.; Ferrari, A. C.; Vitiello, M. S. Front. Opt. Photonics 2021, 10, 89. doi: 10.1515/9783110710687-007

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  393
  • HTML全文浏览量:  32
文章相关
  • 发布日期:  2023-10-15
  • 收稿日期:  2023-07-04
  • 接受日期:  2023-08-16
  • 修回日期:  2023-08-15
  • 网络出版日期:  2023-08-28
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章