石墨烯：极大促进未来太赫兹摄像头开发！
导读
据西班牙光子科学研究所（ICFO）官网近日报道，该校及其他科研机构的研究人员合作设计出一款石墨烯使能的新型光电探测器。它可以工作在室温条件下，灵敏度高，速度快，动态范围宽，覆盖的太赫兹频率广。
背景
太赫兹技术，是目前受到世界各国科学家广泛关注的前沿科技领域之一。太赫兹波，是指频率范围在 100GHz 到 10THz 之间，波长介于微波和红外线之间的电磁波，对于人眼来说是不可见的。
（图片来源：维基百科）
太赫兹波具有穿透性强、安全性高、定向性好、带宽高、时间与空间分辨率高等技术优势。因此，太赫兹技术可应用于成像、存储、通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学、安全检测、无损检测等多个领域。
柔性可穿戴的太赫兹成像仪（图片来源：东京工业大学）
用太赫兹技术对一本合上的书中的书页内容进行成像（图片来源：Barmak Heshmat）
太赫兹通信系统（图片来源：荷兰内梅亨大学）
可是，目前的太赫兹辐射探测器却受到了非常强的限制，这些限制表现在需要同时满足灵敏度、速度、频谱范围、以及能在室温条件下运作等条件。太赫兹光波是一种非常安全的辐射，因为其光子能量低，能量不足可见光范围的光子的百分之一。
作为一种可检测光线的材料，石墨烯有望为我们带来许多新应用。
（图片来源：石墨烯旗舰项目）
相比于光电探测器所用的标准材料例如硅，石墨烯的特殊之处在于没有带隙。硅中的带隙使得波长长于一微米的入射光无法被吸收，从而也无法检测到。相比而言，对于石墨烯来说，即使波长为数百微米的太赫兹光波也可以被吸收和检测到。
石墨烯基太赫兹探测器（图片来源：tsarcyanide/MIPT新闻办公室）
虽然石墨烯基太赫兹探测器目前为止表现出了非常有前景的成果，但是这些探测器目前为止都无法在速度和灵敏度方面打败市场上可买到的探测器。
创新
在最近的一项研究中，西班牙光子科学研究所（ICFO）的研究人员塞巴斯蒂安·卡斯蒂利亚（Sebastián Castilla）、伯纳特·特雷斯（Bernat Terrés）博士，在 ICFO 教授弗兰克·库本思（Frank Koppens）和前ICFO 科学家克拉斯-扬·迪尔罗伊基（Klaas-Jan Tielrooij）博士（目前是 ICN2 的初级组长）领导下，与西班牙 CIC NanoGUNE 研究中心、意大利 NEST (CNR)、中国南京大学、西班牙 Donostia 国际物理中心、希腊约阿尼纳大学、日本国立材料研究所展开合作，已经能够战胜这些挑战。
他们开发出一种新型石墨烯使能的光电探测器，它可以工作在室温条件下，灵敏度高，速度快，动态范围宽，覆盖的太赫兹频率广。
技术
在实验中，科学家们能采用以下方法，优化太赫兹光电探测器的光响应机制。他们将一个偶极子天线集成到探测器中，在天线附近聚焦入射的太赫兹光波。通过制造一个非常小（100纳米，差不多是人类发丝厚度的千分之一）的天线缺口，他们可以在石墨烯通道的光敏区域中，吸收大强度聚焦的太赫兹入射光波。他们观察到，被石墨烯吸收的光波，在石墨烯的pn结中创造出热载流子；随后，p区域和n区域中不等的塞贝克系数，会产生出一个局部电压和一个通过设备的电流，并产生非常大的光响应，导致生成一个非常高灵敏度、高速度的响应探测器，并具有宽动态范围和宽光谱覆盖率。
（左）石墨烯基太赫兹光电探测器设备的中间部分的示意图。它包含一个hBN封装的石墨烯通道，位于窄缺口天线结构的顶部。向左右两个天线分支施加不同的电压，可以在石墨烯通道内部创造出pn结，结的左右两边具有不同塞贝克系数。入射光波通过天线在缺口上方聚焦起来，这就是光电响应产生的地方。（右）太赫光波聚焦的测量结果，是通过扫描聚焦平面内的太赫兹探测器来获取的。观察到的几个艾里图案的环，表示探测器具有高灵敏度。（图片来源：参考资料【1】）
价值
这项研究的成果为开发全数字化的低成本摄像头系统开辟了一条途径。这种摄像头会和智能手机中的摄像头一样便宜，因为这种探测器已经被证明具有非常低的功耗，并且完全兼容于CMOS技术。
关键字
石墨烯、太赫兹、摄像头、成像、光电探测器
参考资料
【1】Sebastián Castilla, Bernat Terrés, Marta Autore, Leonardo Viti, Jian Li, Alexey Y. Nikitin, Ioannis Vangelidis, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Elefterios Lidorikis, Miriam S. Vitiello, Rainer Hillenbrand, Klaas-Jan Tielrooij, Frank H.L. Koppens. Fast and Sensitive Terahertz Detection Using an Antenna-Integrated Graphene pn Junction. Nano Letters, 2019; DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04171
【2】http://www.icfo.eu/newsroom/news/article/4337