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为可调制的石墨烯等离子体太赫兹放大器铺平道路
发布时间:2020-10-11 19:08:18 阅读:187

来源:日本东北大学;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 黄勇 编译

太赫兹脉冲辐射响应器件的测量吸收/放大光谱。在增大原型石墨烯晶体管的漏极电流时并发射太赫兹脉冲。石墨烯晶体管关于入射脉冲波的吸收特性(频谱)可以通过透射的脉冲波的时间响应波形来得到。当漏极电流低于一个特定的阈值时,可以获得一个最大增益为0.09(9%)的放大特性(负吸收)。来源:东北大学。

    日本东北大学(Tohoku University)教授Taiichi Otsuji领导的一个国际研究团队,成功地实现了在室温下由一组干电池供能的石墨烯中太赫兹辐射的相干放大。

    大约40年前,等离子体波电子学的到来开辟了大量的新机会。科学家们很着迷于这种可能性,那就是等离子体波的传播速度可能快于电子。这就表明所谓的“等离子体”设备可以在太赫兹频率下工作。然而,这类放大器或者发射器实现起来却是困难重重。

    “我们的研究探索了太赫兹光-等离子体耦合,光吸收和放大通过基于石墨烯的系统因为它具有良好的室温电学和光学特性”,东北大学电子通信研究所超宽频信号处理实验室的Otsuji教授说到。

    这个由日本、法国、波兰和俄罗斯研究人员组成的研究团队设计了一系列的单层石墨烯沟道的晶体管结构。这些晶体管采用了一个原始的双聚集门结构,这个结构类似于一个高效率天线用于耦合太赫兹辐射和石墨烯等离子体。

在测量下的制备的石墨烯晶体管结构的扫描电镜俯视图,它具有一种被称为“双光栅门”的特殊晶体管电极结构,这两组栅电极被制备成梳状光栅结构并以相互交错的形式进行排列。来源:东北大学

    通过使用这些设备,研究人员可以证实随着电流的增大,可调的共振等离子体吸收会引起太赫兹辐射的放大。在单层石墨烯中被观测到的放大增益可以达到9%,远远超过了我们所熟知的界标水平-2.3%,它是光子与电子直接相互作用而没有石墨烯等离子体的激发时的最大可用值。

    为了说明这些实验结果,该研究团队使用了一种耗散等离子体晶体模型,去捕捉放大现象的基本物理现象和主要趋势。特别地,这个模型预测了当驱使系统进入放大状态时,通道直流电流会增大。这表明等离子体波以相干的形式把直流能量转换为进入的太赫兹电磁波。

    “因为所有的结果都是在室温下获得的,所以我们的实验结果为通过新一代的全电子、谐振和电压控制的太赫兹放大器进一步发展太赫兹等离子体技术铺平了道路”,Otsuji教授说。

 
 

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