基於石墨烯場效應管的太赫茲天文探測器研究

《基於石墨烯場效應管的太赫茲天文探測器研究》是依託上海師範大學，由劉鋒擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於石墨烯場效應管的太赫茲天文探測器研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：劉鋒
• 依託單位：上海師範大學

項目摘要

太赫茲波具有頻寬大、能量適中等特點，在材料科學、光學通訊、環境監測、國土安全等領域具有重要的科學研究價值和廣闊的套用前景。重要地是，太赫茲波段涵蓋了超過一半的宇宙空間光子、星際分子及冷暗天體的輻射特徵，因此在射電天文領域具有非常獨特的研究價值。傳統天文領域探測太赫茲輻射的方法一般利用肖特基二極體、超導-絕緣體-超導隧穿結以及熱電子輻射熱計等混頻器件進行外差式探測，然而，這些探測器要么受限於較低的探測頻率，要么需要在極嚴苛的環境溫度下工作。因此，本項目的研究目標就是進行新型太赫茲探測器的機理研究和器件開發。我們準備利用石墨烯這種新型二維電子氣作為場效應電晶體的溝道，利用溝道中可調諧的電漿波（即電子密度波）對外界太赫茲輻射的整流效應，通過測量電晶體源漏極間的直流電學特性來實現頻率可調諧、高靈敏度的太赫茲探測目的。研究預計將在包括射電天文領域在內的許多領域具有非常廣闊的套用前景。

結題摘要

太赫茲波具有頻寬大、能量適中等特點，在材料科學、光學通訊、環境監測、國土安全等領域具有重要的科學研究價值和廣闊的套用前景。重要地是，太赫茲波段涵蓋了超過一半的宇宙空間光子、星際分子及冷暗天體的輻射特徵，因此在射電天文領域具有非常獨特的研究價值。傳統天文領域探測太赫茲輻射的方法一般利用肖特基二極體、超導-絕緣體-超導隧穿結以及熱電子輻射熱計等混頻器件進行外差式探測，然而，這些探測器要么受限於較低的探測頻率，要么需要在極嚴苛的環境溫度下工作。因此，本項目的研究目標就是進行新型太赫茲探測器的機理研究和器件開發。 我們主要進行了不同溝道阻尼對太赫茲波的回響機理研究；基於以上理論研究，我們進行了石墨烯溝道載流子對入射太赫茲波的整流效應研究；石墨烯基FET架構的太赫茲波探測器設計、製備和開發；研究了石墨烯FET結構光電回響與太赫茲波輻射頻率、功率等參數之間的關係；研究了不同柵極電壓下探測器的光回響度。通過對石墨烯載流子在FET溝道中運動時的動力學過程研究，我們發現石墨烯電漿波可以與太赫茲輻射發生共振回響，在電荷輸運上表現為光電流和光電壓。若電漿波在溝道中阻尼較大，則載流子在源漏極之間的定向移動會產生與入射太赫茲電磁波輻射功率成正比的直流電壓，可以利用這種FET結構的寬譜非共振回響特性實現對太赫茲輻射的探測。實驗中，我們發現回響度和柵極電壓相關，在電中性點附近的回響最靈敏。固定柵壓為約20 V, 通過將太赫茲信號從0.01 mW調製2.3 mW,我們發現其光電壓從約10-8 V變至約10-5 V，回響度達到100 mV/W，且該回響度不隨著斬波器頻率的變化而變化(＜1 KHz)。該探測器的噪聲等值功率達到約~ 500 nW Hz-1/2的水平。噪聲主要來源於Johnson Nyquist機制貢獻。