基于热噪声读出的太赫兹石墨烯热电子探测器关键技术研究

The terahertz (THz) frequency region of the electromagnetic spectrum is very rich in scientific and technological applications, and it is the unique wave band for studying the universe life environment and the early universe of extremely high redshift. Developing high sensitivity detectors in this region is one of significant technological challenges. At low temepratures, graphene has many astonishing properties, such as small heat capacity, exceptional weak electron-phonon coupling, which make it attractive for the development of high sensitivity detectors. The project will study the key technologies of graphene based terahertz hot electron bolometers with Johnson noise readout, including the physical mechanism of terahertz radiation absorption in graphene, ultra wideband terahertz radiation coupling method, fabrication of high-quality graphene based terahertz hot electron bolometer chip, low noise readout technology, detection mechanism and characteristics of graphene based hot electron bolometer. Finally, we will demonstrate a 0.3-3.0 THz graphene based hot electron bolometer with the operating temperature of 0.3-10 K and the noise equivalent power of 10-16 W /Hz0.5 at 0.3 K, and terahertz compressive imaging with the graphene based hot electron bolometer. In addition to THz astronomical applications, the project's research achievements can also be applied to rapid imaging and wide-band low resolution spectral detection (incorporation with two-dimensional spectroscopy) in the fields of national security, biomedicine and so on.

太赫兹波段具有重要科学意义和丰富应用前景，是研究宇宙生命环境和极高红移早期宇宙的独特波段。高灵敏度探测器研制是该波段的主要技术挑战之一。低温环境下石墨烯具有电子电容小和电声相互作用弱等诸多特点，是高灵敏度热电子探测器研制的最佳材料之一。本申请项目将开展基于热噪声读出的太赫兹石墨烯热电子探测器关键技术研究，包括研究石墨烯的太赫兹辐射吸收机理，超宽带太赫兹辐射高效耦合技术，高质量太赫兹石墨烯热电子探测器芯片制备方法，（低噪声）热噪声读出技术，石墨烯热电子探测器的探测机理与特性，最终实现0.3-3.0THz频段、工作温区为0.3-10K、灵敏度达10-16W/Hz0.5（@0.3K）的石墨烯热电子探测器的研制，并实现基于石墨烯热电子探测器的太赫兹压缩感知成像演示。该项目研究成果除了太赫兹天文应用，还可应用于国家安全、生物医学等领域的快速成像探测及超宽带中低分辨率光谱探测（配合二维光谱仪）。

太赫兹波段是天文学一个有待全面研究的电磁波段，特别适合观测早期遥远天体、正在形成的冷暗天体、以及被尘埃遮掩导致光学波段不可见的天体。目前，太赫兹天文观测主要依赖于高灵敏度超导探测器技术，在黑洞成像、原行星盘精细结构、宇宙生命环境、以及宇宙微波背景等方面取得了若干突破进展。近年来，基于二维石墨烯材料的高灵敏度探测器技术也得到了快速发展，特别是二维石墨烯材料和超导材料结合为研制高灵敏度太赫兹探测器开辟了新的途径。本项目主要开展了基于二维石墨烯材料的高灵敏度太赫兹探测器关键技术研究，实现了两种类型的高灵敏度太赫兹石墨烯探测器，分别是基于热噪声读出的太赫兹石墨烯热电子探测器和基于超导体-石墨烯-超导体约瑟夫森结的太赫兹探测器。在基于热噪声读出的太赫兹石墨烯热电子探测器技术研究方面，本项目解明了高温热解法外延生长的双层石墨烯薄膜的太赫兹辐射吸收机理以及微米尺度石墨烯微桥的热输运机制，实现了高质量太赫兹石墨烯热电子探测器芯片制备和太赫兹辐射高效耦合，最终实现了工作温区为0.3-10 K，电学噪声等效功率为15 fW/Hz0.5(at 0.3 K)，动态范围达47 dB的太赫兹石墨烯热电子探测器研制。在基于超导体-石墨烯-超导体约瑟夫森结的太赫兹探测器技术研究方面，本项目成功观测到超导铌电极与亚微米尺度石墨烯微桥之间临近效应导致的约瑟夫森隧穿现象。本项目采用低噪声超导量子干涉仪作为该约瑟夫森结太赫兹探测器的读出电路，在0.1-0.6 K温区测得探测器光学噪声等效功率为0.25-0.5 fW/Hz0.5，达到地面背景极限探测灵敏度。本项目研究成果除了太赫兹天文应用，还可应用于太赫兹生物医学、太赫兹安检等领域的快速成像探测。