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。 Fig 1. (a)耦合天线的石墨烯太赫兹探测器示意图。hBN封装的石墨烯被预先定义成“H”形。天线的左侧和右侧部分分别作为左右顶栅，以构建pn结；(b)器件侧视图，天线左侧和右侧之间的间隙为800 nm。顶栅介电层由20 nm的HfO2和30 nm的hBN组成；(c)制备后器件的光学图像。比例尺为10 μm；(d)石墨烯拉曼光谱中G峰与2D峰位置特征图，红色和蓝色虚线表示应力与掺杂的变化曲线。2D峰半高全宽(FWHM)主要分布在25 cm−1，证明沟道中是单层石墨烯。插图：单层石墨烯的典型拉曼光谱；(e)探测器的太赫兹光电流图。通过在焦平面上扫描探测器并记录光电流来获取该图。参数为Pin = 0.9 mW，VL = −2 V, VR = 0.4 V。白色虚线表示器件的轮廓。比例尺为500 μm；(f)与图(e)相同的图，但以三维等高线的形式显示。插图：在X和Y方向上最大值点的线剖面(分别为蓝色和红色)。 Fig 2. (a)模拟的电场增强与天线半臂长L的关系。参数为2.7 THz，天线两部分之间的间隙Lgap = 800 nm，偏振方向平行于天线轴，如黑色箭头所示。两个峰对应于λ/4和3λ/4的共振(λ = 110 μm)，其电场分布如插图所示；(b)模拟的电场增强与辐射频率的关系。最佳工作频率为2.7 THz。参数为：L = 25 μm，Lgap = 800 nm，偏振方向如黑色箭头所示；(c)模拟的电场增强与天线间隙的关系；(d)天线处电场增强的空间分布图。比例尺为10 μm；(e)光电流与偏振方向的实验关系。0°和180°对应与天线轴方向平行的偏振方向。平行和垂直偏振方向的光电流比值Iph∥/Iph⊥ 在27–295之间；(f)图(e)中数据的极坐标图，红色为模拟曲线。 Fig 3. (a) 电阻R与载流子密度的关系；(b)光响应率(ℜph)和塞贝克系数的关系。通过保持一个栅极电压不变，在另一个栅极下，ℜph呈现与塞贝克系数相似的趋势。SL和SR分别表示在左侧和右侧顶栅下石墨烯的塞贝克系数；(c)器件光电流响应度ℜph (红色实线)和塞贝克系数SR (黑色实线)的变化曲线，其中VL = −1 V；(d)电阻R与两个顶栅电压的关系。虚线表示图(a)中的数据；(e)光响应率ℜph与两个顶栅电压的关系。实线和虚线分别表示图(b)和(c)中的数据。辐射参数：f = 2.7 THz，输入功率Pin = 0.9 mW；(f)噪声等效功率(NEP)，由图(d)和(e)中的数据估算得出。相关研究工作由北京大学Jianbo Yin、北京工业大学Baolu Guan和北京石墨烯研究院Qingmei Hu课题组于2023年联合发表在《物理化学学报》期刊上，Graphene Based Room-Temperature Terahertz Detector with Integrated Bow-Tie Antenna，原文DOI: 10.3866/PKU.WHXB202307012。
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