中英科學(xué)家新發(fā)現(xiàn)：利用石墨烯電導(dǎo)率變化實(shí)現(xiàn)太赫茲調(diào)制

　　與太赫茲電磁頻譜的其它頻段相比，位于紅外和微波之間的頻段似乎被忽略了。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，香港中文大學(xué)和華威大學(xué)(The University of Warwick)的一個(gè)研究小組最近發(fā)表研究成果，表明實(shí)現(xiàn)太赫茲光束的寬帶寬、大幅度且快速的調(diào)制是可能的，甚至只需非常簡單的器件就能實(shí)現(xiàn)。　　

調(diào)制器結(jié)構(gòu)及其與太赫茲光相互作用的圖解

　　為了設(shè)計(jì)出工作在太赫茲頻段的相機(jī)和光譜儀，研究人員花費(fèi)了不少努力。目前已經(jīng)被證明其在機(jī)場安全掃描儀和舊畫底層識別應(yīng)用是有用的。

　　這些設(shè)備的重要組成部分則是調(diào)制器，它控制太赫茲光束的振幅或相位。調(diào)制器必須快速運(yùn)作，且功耗低，在較大的頻率范圍內(nèi)給出一致的調(diào)制，最大限度地改變太赫茲光束的強(qiáng)度或相位。迄今為止，供選擇的方法包括超材料、半導(dǎo)體和液晶器件，但都無法滿足所有需求。

　　Brewster先生來了

　　1815年，David Brewster發(fā)表了一篇論文，描述了實(shí)現(xiàn)透明物體零反射所需的入射角。兩百多年后，香港中文大學(xué)許建斌和華威大學(xué)Emma Pickwell-MacPherson領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家小組應(yīng)用這些知識以及最新技術(shù)，創(chuàng)造了破紀(jì)錄的太赫茲調(diào)制器。

　　Pickwell-MacPherson評論道，“我們的第一步是證明通過采用全內(nèi)反射(TIR)幾何結(jié)構(gòu)而非透射幾何結(jié)構(gòu)獲得用更低的導(dǎo)電率變化，從而實(shí)現(xiàn)寬帶太赫茲調(diào)制。利用最新的布魯斯特角，這已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)幾種新器件設(shè)計(jì)的方法?！?/p>

　　該器件通過在石英襯底上進(jìn)行石墨烯、氧化鋁(Al2O3)和氧化鈦(TiOx)單層堆疊實(shí)現(xiàn)。一束p偏振太赫茲光束從堆棧中反射出來，當(dāng)達(dá)到布魯斯特角時(shí)，反射變?yōu)榱?。添加一?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/石墨烯">石墨烯允許了可調(diào)元素的引入。當(dāng)在兩個(gè)金接觸點(diǎn)之間的石墨烯上施加電壓時(shí)，電導(dǎo)率會發(fā)生變化。這改變了堆疊的布魯斯特角，因此對于給定的入射角，反射的太赫茲可以通過控制電壓而“接通或斷開”。

　　選擇運(yùn)作模式

　　將p偏振太赫茲光束以65°的角度照射到器件上，施加在石墨烯的電壓從-12V變?yōu)?14V，可以在0.5~1.6 THz的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對太赫茲振幅99.3%~99.9%的調(diào)節(jié)。振幅調(diào)節(jié)范圍受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，理論上可以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。

　　但這并不是唯一的選擇。研究人員利用在大于布魯斯特角時(shí)反射光束發(fā)生180°相變這一事實(shí)。當(dāng)電壓從-12V變?yōu)?16V時(shí)，以68°角入射的太赫茲光束在相同的頻率范圍內(nèi)將發(fā)生不小于140°的相變。在這個(gè)電壓范圍內(nèi)，布魯斯特角在72°和64°之間變化。　　

對1kHz方波電信號調(diào)制太赫茲時(shí)域波形(紅色)和調(diào)制深度響應(yīng)(藍(lán)色)

　　對速度的要求

　　調(diào)制的上升時(shí)間約為1ms，因此很容易實(shí)現(xiàn)1kHz的調(diào)制頻率。不過，如果可以犧牲調(diào)制深度，也可以達(dá)到高達(dá)10kHz的頻率。雖然其他固態(tài)太赫茲調(diào)制器工作在大約2.4MHz的較高頻率段，也可以進(jìn)一些小調(diào)整提高該器件的調(diào)制頻率。目前受限于金接觸層之間的電阻和電容，通過將尺寸減小到1mm左右，并用石墨烯代替TiOx，調(diào)制速度與其他器件相當(dāng)。

　　香港中文大學(xué)材料科技研究中心主任許建斌解釋說，“這個(gè)裝置的另一個(gè)好處是可以被改造成現(xiàn)有的商用太赫茲光譜儀?！笔┛刂频牟剪斔固亟翘掌澱{(diào)制器將真正帶我們進(jìn)入太赫茲技術(shù)進(jìn)入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的未來。