来源：中国科学院上海技术物理研究所
电磁频谱中，太赫兹泛指频率在0.1～10 THz波段内的电磁波，恰好处于微波电子学与红外光子学之间，具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性，可以广泛应用于在天文、遥感、生物医学等领域。室温、高速、高灵敏度探测器都是极其重要的太赫兹核心器件，而工作温度、太赫兹光子低能特性限制了传统光子能带探测方法，其中纯电子学的通过减小特征尺寸方法往太赫兹波段延伸面临着弹道效应、量子隧穿等不利因素限制了器件的工作效率。为实现太赫兹光子的高效能量转换，材料需要具备高吸收、高转换的特点，其中单原子石墨烯材料因高迁移率和零禁带特性具备这样的特点，当太赫兹光子入射到石墨烯材料表面，呈现出高吸收态，然而其表面电子呈现出相应的无序高动能态，而这一部分能量往往难以转化成有用的信号，被支撑衬底、电极等以热的形式耗散，因此如何实现室温高灵敏的器件结构原型成为太赫兹光电转换研究的核心。
【成果简介】
近日，中国科学院上海技术物理研究所，红外物理国家重点实验室陆卫、陈效双课题组成员王林副研究员、“百人计划”陈刚研究员等人，利用石墨烯材料集成天线接触电极与劈裂栅控结构，提出了石墨烯本身热电子操控机理实现室温下太赫兹波段的高灵敏探测，该器件具有可调灵敏度、较高的转化效率和光电导增益，响应率可达0.6-6.0 kV/W。相关成果以“Room-Temperature High-Gain Long-Wavelength Photodetector via Optical–Electrical Controlling of Hot Carriers in Graphene” 为题发表在期刊《先进光学材料》（Advanced Optical Materials, IF~7.430）上。该工作提出了一种基于本征热载流子调控的新型高增益THz光电探测器，一方面，立足于光场被天线聚焦在一个劈裂栅控结构中，另一方面，立足于THz场的强聚焦在石墨烯沟道诱导热载流子分布，能够俘获或释放金-石墨烯低电阻接触界面的电荷，导致探测器具有高光导增益。同时，通过静电场可直接操控光诱导热载流子的空间分布，实现探测器两种工作模式的切换。该研究工作得到国家重点研发计划专项基金、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等经费资助。
【图文导读】
(a) THz探测器件光响应测量连接示意图；(b) THz探测器件的内在物理机制：
图1 热载流子THz探测器示意图及工作原理
本工作设计了综合宽频特性的log周期性天线、强局域场的劈裂栅控及石墨烯场效应晶体管三者之间的电磁与电学效应，通过天线与劈裂栅控可实现在毫米尺度下的电磁汇聚，形成对称或非对称电磁模态分布，在此基础上，通过静电场可直接操控光诱导热载流子的特定分布，获得具有可调灵敏度、较高的转化效率及光导增益的探测器。
(a) 顶栅场效应晶体管(L = 5um)实时响应图；(b) THz探测器在光导模式(非未集成栅控)下工作的机制；(c) (d) 光电流随着偏置电压与输入功率线性变化；(e) 探测器件响应时间；
图2 热载流子THz探测器的光电响应特性
本工作实验现象明显：在太赫兹波段照射下，随着栅压增大，光电流先增大然后减小到接近零，当石墨烯电子掺杂时（UTG>2.2 V），光电流反向增加，即电阻R减少。另一方面，在UTG<1 V以及未集成栅极石墨烯（石墨烯为空穴掺杂），电阻会增加同时光电流减小，电流极性明显翻转。劈裂调控探测器件与未集成栅控探测器件在热电子探测物理机制上基本一致。该原理性探测器的灵敏度可以通过在金属狭缝的纳米级尺度范围内THz场聚焦或通过更高静电调控得以进一步提高，具体可见文章中详细介绍。
【小结】
综上所述，该工作系统阐释了在室温条件下，通过对石墨烯本征热电子的电磁操纵，实现高性能的长波探测器，主要创新之处在于：在THz场的强聚焦下会在石墨烯光敏沟道产生热载流子分布的诱导电势分布，俘获或者释放从金属-石墨烯界面转移的电荷，该器件的性能如灵敏度与NEP方面，都可与商用探测器相比，同时该原型探测器的灵敏度可以通过金属狭缝纳米级尺度范围内THz场聚焦或通过更优静电调控得以进一步提高，基于此优良的特性，这类新型THz光探测器具备室温实时成像的优良条件，同时也为低维太赫兹材料在诸如安全监控、质量控制、生物医学等方面的技术推动提供重要参考。
文献链接：Room‐Temperature High‐Gain Long‐Wavelength Photodetector via Optical–Electrical Controlling of Hot Carriers in Graphene, Advanced Optical Materials, 2018, 6(24), 1800836 (2018)。
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