Nature Materials：室温下中红外石墨烯等离子体的高效电学检测- 大数跨境

两江科技评论

2018-08-28

导读：近日，耶鲁大学的夏丰年教授和西班牙ICREA科学技术研究所的F. Javier García deAbajo教授合作，开发出了一种中红外石墨烯探测器，能够检测由红外光激发的等离子体衰减产生的热载流子，

导读

近日，耶鲁大学的夏丰年教授和西班牙ICREA科学技术研究所的F. Javier García de Abajo教授合作，开发出了一种中红外石墨烯探测器，能够检测由红外光激发的等离子体衰减产生的热载流子。该器件由石墨烯等离子体谐振器阵列组成，这些谐振器又通过准一维纳米带相互连接，可以在两种不同的无序辅助输运机制下运行。其相关工作以“Efficient electrical detection of mid-infrared graphene plasmons at room temperature”为题，于8月27日发表在《Nature Materials》期刊上。

背景介绍

等离子体(plasma)是原子或原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，其相互作用主要受电磁力支配，并表现出显著的集体振荡行为。在光学激发后，等离子体在几个飞秒的极短时间内发生非弹性衰减，产生热电荷载流子；在高温（T_e）下，载流子在十几飞秒内热化；接着，在较低温度（T_l）下驰豫（relaxing），电子能量转化为晶格振动；最终，通过周围材料热扩散，温度降到室温（T₀）。理论上，将等离子体衰减转换成可测量的电信号，可用于光检测和能量收集。研究人员曾尝试沿着耗散通道（dissipation pipeline）提取信号（例如，通过肖特基势垒上的内部光电效应），进行“等离子体-电子”能量直接转换的研究，但是等离子体的能量非常小，并且在红外和太赫兹（THz）范围的辐射效率很低，使得等离子体电学检测的应用受到限制。

最近，石墨烯在中红外（midinfrared，mid-IR）和太赫兹等离子体中的应用潜力激发了广大研究人员的兴趣。与贵金属等离子体相比，在掺杂的石墨烯中，中红外和太赫兹等离子体具有非常强的光学限制效应和长寿命。有趣的是，由于较弱的“电子-声子”耦合效应，石墨烯中电子温度可以显著地高于声子的背景温度。此外，石墨烯较大的面内导热性有利于热载流子的辅助热传输。虽然石墨烯具有这些独特的性质，通过石墨烯等离子体来对热载流子产生过程进行电学探测仍然是一个尚未解决的难题。

创新研究

在本项工作中，研究人员开发了一种简单而有效的双端口器件，能够检测由红外光激发的中红外等离子体衰减产生的热载流子。该研究的核心思想主要是利用了中红外等离子体共振增强效应，实现的器件是结合准一维石墨烯纳米带（nanoribbons）的分立化石墨烯谐振器，其热激活载流子的输运性质受到等离子体吸收的显著影响。他们通过监测12.2μm入射光强度函数的电导，测得面积为5×5μm²的器件在室温下的外部响应度为16 mA W^-1，噪声等效功率（NEP）低至1.3 nW Hz^-1/2；其NEP理论极限为460 pWHz^-1/2，主要受Johnson噪声、热波动噪声和散粒噪声（shot noise）限制。

该器件利用了石墨烯的几个物理特性，包括较强的中红外等离子体吸收、较小的电子热容和晶格热容、较慢的热载流子冷却速率、准一维纳米带中温度敏感的载流子输运以及较高的面内导热系数。由于采用石墨烯二维材料，他们的器件不需要制备悬浮结构以进行热隔离，因此它能够将片上光波导和光学腔等其他元件集成起来；同时，大规模的CVD石墨烯制备工艺具有可扩展性，使该器件有望应用于高分辨率中红外相机和高密度红外光子集成。此外，该器件的亚波长占位面积以及GHz的快速器件响应速度，有助于实现中红外激光雷达系统和8-14 μm大气透明窗口中的自由空间通信等应用。

最后，他们预测，通过设计石墨烯-等离子体共振器的形状和尺寸，还可以将该器件概念扩展到THz光谱范围。更进一步地，通过与波导和光学腔集成、采用更好的绝热结构，或通过减少准一维石墨烯纳米带的掺杂来提高电导的温度敏感性，也可以采用电阻温度系数更大的低维带隙半导体取代纳米带等方法，进一步提高和优化器件的性能。