石墨烯能用于t波探測？t波也將在醫(yī)學(xué)掃描中取代x射線！

2019-08-13 12:54 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

來自莫斯科物理與技術(shù)研究所(MIPT)和Valiev物理與技術(shù)研究所的俄羅斯研究人員已經(jīng)證明，在商用石墨烯中存在太赫茲輻射的共振吸收。

這是設(shè)計(jì)高效太赫茲探測器的重要一步，使互聯(lián)網(wǎng)更快，并安全取代x射線用于身體的掃描，其研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論應(yīng)用》上。

石墨烯光電

自從Andre Geim和Kostya Novoselov因研究石墨烯獨(dú)特的電子特性而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來，人們對這種材料的興趣從未減弱過。石墨烯確實(shí)是二維的：它由一層只有一個(gè)原子那么厚的碳層組成，這也是其性能如此驚人的原因之一。它很薄，但機(jī)械強(qiáng)度很高，甚至對氦原子都不滲透，而且導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能非常好。石墨烯中電子的高遷移率使其成為超快光電探測器的理想材料，包括在太赫茲范圍內(nèi)工作的探測器，THz輻射，也稱為t波，同樣難以產(chǎn)生和探測。

這就產(chǎn)生了“太赫茲間隙”的概念，“太赫茲間隙”指的是電磁頻譜中大約0.1-10太赫茲的頻段。在這一范圍內(nèi)沒有有效的產(chǎn)生和探測輻射的裝置。然而，t波對人類非常重要：它們不會(huì)傷害身體，因此可以在醫(yī)學(xué)掃描中取代x射線。此外，t波可以使Wi-Fi更快，并為天文研究打開一個(gè)研究不足的宇宙輻射波段。盡管石墨烯具有很大的光檢測潛力，但其單層僅吸收約2.3%的外部輻射，不足以進(jìn)行可靠的檢測。

解決這一問題的一種方法是對石墨烯附近電場進(jìn)行強(qiáng)定位，迫使電磁波與石墨烯電子耦合，激發(fā)共振振蕩。由此產(chǎn)生的電磁場和傳導(dǎo)電子的集體波稱為表面等離子體。等離子體共振的相應(yīng)現(xiàn)象是由于表面等離子體波的激發(fā)而引起光吸收增強(qiáng)。不幸的是，這種現(xiàn)象在用平面波照明的導(dǎo)體連續(xù)片上沒有觀察到。等離子體波長比光子的波長短，這就是為什么這兩種波很難同步的原因。為了解決這種差異，在石墨烯薄膜上方放置了一個(gè)金屬光柵。它像一個(gè)小梳子，齒之間的距離不到一微米。

石墨烯的期望與現(xiàn)實(shí)

生產(chǎn)石墨烯有幾十種技術(shù)，它們在最終產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)強(qiáng)度方面有所不同。研究人員贊揚(yáng)石墨烯具有高的電子遷移率，但他們往往對這種材料的制造難度輕描淡寫。最優(yōu)質(zhì)的石墨烯是通過機(jī)械剝落生產(chǎn)。這包括在兩個(gè)粘膠帶之間放置一片石墨，然后在多次迭代中剝離越來越薄的層。在某一時(shí)刻，石墨烯的碎片（即單層石墨）出現(xiàn)了。這種“手工”石墨烯在應(yīng)用設(shè)備上具有最佳特性，比如基于MIPT、莫斯科國立師范大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)研究人員制造的封裝石墨烯的共振t波探測器。

不幸的是，機(jī)械剝落法生產(chǎn)的石墨烯薄片直徑只有幾微米，需要幾個(gè)月的時(shí)間才能生產(chǎn)出來，而且對于串行設(shè)備設(shè)計(jì)來說，成本太高。有一種更簡單、可擴(kuò)展的石墨烯合成替代技術(shù)，稱為化學(xué)氣相沉積(CVD)。它包括在一個(gè)特殊的熔爐中分解氣體——通常是甲烷、氫氣和氬的混合物。該過程導(dǎo)致石墨烯薄膜在銅或鎳基板上形成。由此得到的石墨烯比機(jī)械剝落的石墨烯具有更差的特性和更多缺陷。

但CVD目前是最適合擴(kuò)大設(shè)備生產(chǎn)的技術(shù)，俄羅斯物理學(xué)家開始測試這種商業(yè)級(jí)石墨烯是否足以激發(fā)太赫茲等離子體共振，這將使它成為t波探測器的有效材料。事實(shí)上，cvd生產(chǎn)的石墨烯薄膜并不均勻。像多晶體一樣，它由許多合并的顆粒組成。每一個(gè)都是一個(gè)有序區(qū)域，具有完全對稱的原子圖案。研究合作者、MIPT研究生Elena Titova說：晶界和缺陷使得研究這種石墨烯遠(yuǎn)非易事。

該團(tuán)隊(duì)花了一年多時(shí)間，在該研究所的共享研究設(shè)施中心掌握了CVD石墨烯的工作。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室理論部門的同事們確信不會(huì)觀察到等離子體共振。原因是共振可見性是由所謂的質(zhì)量因子決定，也就是說，在電子遇到晶格缺陷之前，電場經(jīng)過了多少周期。理論估計(jì)，由于CVD石墨烯中經(jīng)常發(fā)生電子缺陷碰撞，Q因子非常低。也就是石墨烯中的高電子遷移率不是由于電子碰撞不頻繁，而是由于電子質(zhì)量低，從而使它們能夠快速加速到高速。

理論和實(shí)驗(yàn)

盡管有悲觀的理論預(yù)測，研究論文的作者還是決定做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，解決得到了回報(bào)：在cvd合成的石墨烯中，吸收光譜顯示出等離子體共振的峰。研究主管、光電子二維材料MIPT實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人德米特里·斯文索夫(Dmitry Svintsov)說：問題是，并非所有的缺陷都相同，在直流測量和THz吸收測量中，電子會(huì)與不同的缺陷發(fā)生碰撞。在直流實(shí)驗(yàn)中，電子在從一個(gè)電接觸點(diǎn)到另一個(gè)電接觸點(diǎn)的過程中，不可避免地會(huì)遇到晶界。但當(dāng)暴露在t波下時(shí)，它大多會(huì)在單個(gè)顆粒內(nèi)波動(dòng)，遠(yuǎn)離其邊界。

這意味著損害直流電導(dǎo)率的缺陷實(shí)際上對t波檢測是‘安全的’。另一個(gè)謎團(tuán)與共振等離子體激發(fā)的頻率有關(guān)，這與先前已有的理論不一致。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它與金屬光柵幾何形狀有著意想不到的關(guān)系。當(dāng)放置在石墨烯附近時(shí)，光柵會(huì)改變等離子體場的分布。這就導(dǎo)致了等離子體在“梳齒”下的定位，梳齒邊緣就像等離子體激元的鏡子?；谂c固體物理的緊密結(jié)合模型類比，建立了一個(gè)描述這一現(xiàn)象非常簡單的理論。該理論在不依賴擬合參數(shù)的情況下，較好地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可用于未來t波探測器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。