基于声表面波调制石墨烯表面等离激元的太赫兹探测研究

Terahertz wave (THz) detector has been widely used in satellite communications, target detection, missile defense, imaging systems, medical diagnostics and environmental monitoring, and so on. The graphene THz detectors based on a new architecture and mechanism are proposed to study in this project. A new method was proposed to tune the graphene surface plasmon polaritons by using surface acoustic wave (SAW) to produce graphene periodic mechanical deformation and periodic piezoelectric substrate surface electric field distribution which results in forming a modulated graphene optical grating and an effective enhancement for the interaction between THz and graphene plasmons. At the same time, we put forward to fabricate a coupling THz metal antenna to enhance graphene effective area for the THZ absorption. The tuning method for graphene surface plasmon polaritons excited by SAW avoids pattering graphene sheets where metal electrode degrades the properties of graphene and edge scattering reduces the plasmon lifetime. The THz detector proposed in this project is an important application direction of graphene materials; at the same time, the graphene THz detector is the reasonable solution to the defects of currently THz detectors. This project can lay the necessary theoretical and technical basis for new generation THz detector with high sensitivity, fast response and room temperature working enviroment. The study of this project has important research significance and practical value.

太赫兹探测在卫星通信、目标探测、导弹防御、成像系统、医疗诊断和环境监测等领域有着广泛的应用。本项目拟研究一种新型结构与机理的石墨烯太赫兹探测器。项目提出利用声表面波产生石墨烯周期性机械形变与压电基底材料表面周期性电场分布，形成一个可调制的石墨烯光学光栅，达到对石墨烯等离激元的调制作用，有效增强石墨烯等离激元与太赫兹波的相互作用；同时，项目提出耦合太赫兹金属天线，等效增强石墨烯对太赫兹波的有效吸收面积。本项目提出的利用声表面波来调制石墨烯等离激元的方式可以避免对石墨烯进行图形化，减少图形化电极对石墨烯电学性能的退化与电极边缘散射对等离激元寿命的降低。石墨烯太赫兹探测器是石墨烯材料的一个重要应用方向；同时，石墨烯太赫兹探测器也是解决目前太赫兹探测器缺陷的一种合理选择。本项目的研究，可为高灵敏度、快速、室温太赫兹探测器的研制奠定必要的理论和技术基础，具有重要的研究意义与实用价值。

本项目申请四年进行研究，批准为先试研究一年。研究内容为构筑一种新型结构与机理的石墨烯太赫兹探测器，通过声表面波产生石墨烯周期性电场，达到对石墨烯等离激元的调制，增强石墨烯等离激元与太赫兹的相关作用；并提出耦合太赫兹天线，提高石墨烯对太赫兹的有效吸收面积。通过一年的研究，首先从机理上研究了石墨烯表面等离激元与太赫兹波的相互作用，获得了石墨烯表面等离子体激元的色散关系和增益特性曲线，石墨烯表面等离子体增益特性和载流子浓度、动量驰豫时间的关系；其次计算并分析了石墨烯在太赫兹波段电导率的特性，设计了多种结构的太赫兹波导，利用 COMSOL 多物理场模拟软件中的射频（RF）模块，基于在不同化学势的情况下石墨烯的电导率特性会随之改变，进而会改变石墨烯的介电函数特性这一计算结果，展示了石墨烯表面等离子激元在具有不同电导率区域的传输特性，显示出只有在具有合适的电导率区域的石墨烯才能够支持表面等离子传输；第三通过理论计算压电材料表面的弹性振动，石墨烯表面将产生一种类似光栅的效果，这可以极大的提高太赫兹波与石墨烯的耦合作用；第四，在实验上，首先研究了在压电材料基地上制备石墨烯电极，并测试了石墨烯声表面波传感器的部分传感测试；此外，通过对相关半导体工艺的研究，在压电单晶LiNbO3基地上试制并获得了第一批的样品。然而由于时间有限，器件的太赫兹响应的系统实验测试结果还没有完成，只获得了初步的测试结果，初步测试结果表明，声表面波激励的器件太赫兹的吸收率提高了约1倍，器件光响应电流提高了约20%。我们希望能够获得继续的支持，系统的完成测试，并优化器件结构，获得这种新型结构的太赫兹探测器的原型器件并结合前期机理研究，深入分析了解太赫兹探测的相关机理及其应用。本项目的研究，为高灵敏度、快速、室温太赫兹探测器的研制奠定必要的理论和技术基础，具有重要的研究意义与实用价值。