中英科學家新發(fā)現：利用石墨烯電導率變化實現太赫茲調制

　　與太赫茲電磁頻譜的其它頻段相比，位于紅外和微波之間的頻段似乎被忽略了。據麥姆斯咨詢報道，香港中文大學和華威大學(The University of Warwick)的一個研究小組最近發(fā)表研究成果，表明實現太赫茲光束的寬帶寬、大幅度且快速的調制是可能的，甚至只需非常簡單的器件就能實現?！　?/p>本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201812/395214.htm

調制器結構及其與太赫茲光相互作用的圖解

　　為了設計出工作在太赫茲頻段的相機和光譜儀，研究人員花費了不少努力。目前已經被證明其在機場安全掃描儀和舊畫底層識別應用是有用的。

　　這些設備的重要組成部分則是調制器，它控制太赫茲光束的振幅或相位。調制器必須快速運作，且功耗低，在較大的頻率范圍內給出一致的調制，最大限度地改變太赫茲光束的強度或相位。迄今為止，供選擇的方法包括超材料、半導體和液晶器件，但都無法滿足所有需求。

　　Brewster先生來了

　　1815年，David Brewster發(fā)表了一篇論文，描述了實現透明物體零反射所需的入射角。兩百多年后，香港中文大學許建斌和華威大學Emma Pickwell-MacPherson領導的科學家小組應用這些知識以及最新技術，創(chuàng)造了破紀錄的太赫茲調制器。

　　Pickwell-MacPherson評論道，“我們的第一步是證明通過采用全內反射(TIR)幾何結構而非透射幾何結構獲得用更低的導電率變化，從而實現寬帶太赫茲調制。利用最新的布魯斯特角，這已經成為實現幾種新器件設計的方法。”

　　該器件通過在石英襯底上進行石墨烯、氧化鋁(Al2O3)和氧化鈦(TiOx)單層堆疊實現。一束p偏振太赫茲光束從堆棧中反射出來，當達到布魯斯特角時，反射變?yōu)榱?。添加一?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/石墨烯">石墨烯允許了可調元素的引入。當在兩個金接觸點之間的石墨烯上施加電壓時，電導率會發(fā)生變化。這改變了堆疊的布魯斯特角，因此對于給定的入射角，反射的太赫茲可以通過控制電壓而“接通或斷開”。

　　選擇運作模式

　　將p偏振太赫茲光束以65°的角度照射到器件上，施加在石墨烯的電壓從-12V變?yōu)?14V，可以在0.5~1.6 THz的頻率范圍內實現對太赫茲振幅99.3%~99.9%的調節(jié)。振幅調節(jié)范圍受到實驗條件的限制，理論上可以實現更大的帶寬。

　　但這并不是唯一的選擇。研究人員利用在大于布魯斯特角時反射光束發(fā)生180°相變這一事實。當電壓從-12V變?yōu)?16V時，以68°角入射的太赫茲光束在相同的頻率范圍內將發(fā)生不小于140°的相變。在這個電壓范圍內，布魯斯特角在72°和64°之間變化?！　?/p>

對1kHz方波電信號調制太赫茲時域波形(紅色)和調制深度響應(藍色)

　　對速度的要求

　　調制的上升時間約為1ms，因此很容易實現1kHz的調制頻率。不過，如果可以犧牲調制深度，也可以達到高達10kHz的頻率。雖然其他固態(tài)太赫茲調制器工作在大約2.4MHz的較高頻率段，也可以進一些小調整提高該器件的調制頻率。目前受限于金接觸層之間的電阻和電容，通過將尺寸減小到1mm左右，并用石墨烯代替TiOx，調制速度與其他器件相當。

　　香港中文大學材料科技研究中心主任許建斌解釋說，“這個裝置的另一個好處是可以被改造成現有的商用太赫茲光譜儀?！笔┛刂频牟剪斔固亟翘掌澱{制器將真正帶我們進入太赫茲技術進入現實應用的未來。