開(kāi)發(fā)在室溫下工作的低功耗、高靈敏度太赫茲(THz)波段的光電探測(cè)器是光電子學(xué)中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)研究中，本工作介紹了一種基于碳化硅襯底上的準(zhǔn)獨(dú)立式雙層石墨烯的光電效應(yīng)探測(cè)器，設(shè)計(jì)用于太赫茲頻率范圍。本工作的探測(cè)器性能取決于準(zhǔn)光學(xué)耦合方案，該方案集成了一個(gè)非球面硅透鏡，以?xún)?yōu)化太赫茲天線(xiàn)和石墨烯p-n結(jié)之間的阻抗匹配。在室溫下，本工作實(shí)現(xiàn)了小于300pw /Hz的噪聲等效功率。通過(guò)阻抗匹配分析，本研究通過(guò)兩個(gè)耦合電容器耦合了一個(gè)平面天線(xiàn)與石墨烯p-n結(jié)，該結(jié)平行插入天線(xiàn)的納米間隙。通過(guò)調(diào)整電容和天線(xiàn)臂的長(zhǎng)度，本研究將天線(xiàn)的最大紅外功率吸收調(diào)整到特定頻率。本研究的材料的靈敏度、光譜特性和可擴(kuò)展性使其成為未來(lái)在室溫下工作的遠(yuǎn)紅外探測(cè)器的理想候選者。
圖1. (a)利用BLG中PTE效應(yīng)作為整流機(jī)制的太赫茲偶極子天線(xiàn)。(b)說(shuō)明天線(xiàn)電氣連接的示意圖，其中兩個(gè)天線(xiàn)臂之間產(chǎn)生光電壓(V
PTE)，太赫茲場(chǎng)集中在天線(xiàn)納米間隙。電壓V
gate 1、2控制間隙兩側(cè)的載流子密度。(c)天線(xiàn)等效電路模型。
圖2: (a)天線(xiàn)的輸入電阻和電抗由等效電路模型計(jì)算，當(dāng)匹配到600 GHz的BLG p-n結(jié)時(shí)。
在阻抗匹配條件下，天線(xiàn)的最大吸收功率出現(xiàn)在諧振頻率附近，這也通過(guò)FEM模擬得到驗(yàn)證，同時(shí)繪制在(b)中。
圖3. 偶極天線(xiàn)(a, c, e)和貼片(b, d, f) PTE探測(cè)器在室溫下的輸運(yùn)特性。(a, b)兩個(gè)頂柵極上電壓的函數(shù)圖，顯示了四個(gè)不同的區(qū)域，對(duì)應(yīng)于不同的摻雜結(jié)構(gòu):p-n, p-p, n-p和n-n。(c, d)在沒(méi)有太赫茲激勵(lì)的情況下，對(duì)柵極電壓的直流輸運(yùn)響應(yīng)度，以伏特/瓦(V/W)表示。(e, f)在不存在太赫茲激勵(lì)的情況下，噪聲電壓與柵極電壓的關(guān)系圖。
圖4. 顯示PTE的貼片天線(xiàn)和偶極天線(xiàn)的響應(yīng)率圖和NEP譜。(a, b)貼片天線(xiàn)和偶極天線(xiàn)赫茲響應(yīng)率圖，各自具有光熱電效應(yīng)的6倍對(duì)稱(chēng)特征。(c)天線(xiàn)增強(qiáng)響應(yīng)譜的顯示。在(a, b)的響應(yīng)率圖中，用圓圈表示了NEP和h - z頻譜所使用的柵極電壓集。(d)示出在W/Hz1/2中偶極子和貼片天線(xiàn)探測(cè)器在最佳柵極電壓配置下測(cè)量的天線(xiàn)優(yōu)化NEP。從電路模型中計(jì)算出的天線(xiàn)增強(qiáng)的并發(fā)圖提供了兩種類(lèi)型的天線(xiàn)，以及不匹配的天線(xiàn)PTE檢測(cè)器(控制)的NEP和響應(yīng)性。
相關(guān)研究成果由查爾姆斯理工大學(xué) François Joint和馬里蘭大學(xué)Howard D. Drew等人2024年發(fā)表在ACS Applied Electronic Materials (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c00870)上。原文：Terahertz Antenna Impedance Matched to a Graphene Photodetector
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
