石墨烯场效应晶体管等离子体波太赫兹探测器及其应用研究

This research project aims to settle a series of critical problems in the present solid-state terahertz detectors which need expensive cooling system, longer response-time and low-frequency operation. During the research, we will investigate the excitation and propagation of plasma waves in the channel of graphene field effect transistors, unveil the dispersion properties of plasma waves and its relativistic nonlinearity on the modulation of conductivity and current in the channel at room temperature, and ultimately developing the theoretical base for wide band tunable terahertz detection with graphene field effect transistors. Furthermore, we will clarify the underlying physical mechanisms for generating dark-current in this kind of detectors, and exploit high efficient terahertz-coupler for the performance improvement, high-intensity integration at room temperature.

本项目研究旨在克服目前固态太赫兹探测器件存在响应速度低、探测频率窄、需要制冷等一系列核心问题，探索太赫兹场作用下石墨烯场效应晶体管等离子体波的激发传播、色散规律及其非线性相对论效应对室温器件沟道电导率和电流的调制规律，建立宽带可调石墨烯场效应晶体管等离子体波太赫兹探测理论体系。揭示石墨烯等离子体波场效应晶体管太赫兹探测暗电流形成内在物理机制，并提出高效光电耦合结构，为实现探测器的有效集成和室温性能的提高建立基础。

本项目围绕石墨烯等离子体波的产生、传播及电磁耦合规律展开一系列研究，针对石墨烯基场效应晶体管等离子体波的太赫兹共振行为，建立了石墨烯等离子体波流体动力学模型，计算分析了石墨烯等离子体波相对论非线性效应产生太赫兹光电转换的内在规律，并建立了石墨烯场效应数值模型，对晶体管的量子电容现象进行了科学解释。本研究工作发展了针对太赫兹波探测的器件工艺、器件制备和表征等方法，实现了天线集成式太赫兹探测器结构，并提出石墨烯超材料太赫兹调制结构实现对太赫兹表面场的操控。探索了石墨烯原型器件在太赫兹波探测的内在物理过程，发现石墨烯在太赫兹场作用下产生非平衡载流子诱导室温光电导探测现象，在场效应作用下石墨烯载流子极性反演诱导增强的光热电太赫兹探测，在实验上论证了场效应和电磁联合操控石墨烯热载流子的物理原理，实现了高于200V/W的响应率, NEP<0.1nW/Hz^0.5的室温灵敏度，深刻说明了石墨烯场效应结构在太赫兹波段探测的潜在应用价值。在此基础上，本工作探索性研究了石墨烯类二维材料的红外太赫兹宽波段宽波段探测的实现途径，包括基于顶栅耦合多层黑磷结构、天线耦合黑磷光电导结构，实现了器件的低暗电流、光伏及光导等功能转换。通过本项目的开展解决了二维器件在太赫兹波探测应用的工艺、方法等一系列问题，为室温可集成式柔性探测在太赫兹领域的发展奠定重要依据，为太赫兹技术在安检、通讯等领域的应用提供了新的技术手段，在本项目的支持下，研究团队在国际权威刊物Adv. Fun. Mat. Carbon, Nanoscale等上面发表学术论文10余篇，引起了国际同行的广泛兴趣，申请发明专利6项，并积极培养太赫兹领域高科技人才2名。