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2023

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石墨烯+超材料，今日登上Science！

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　　石墨烯，21世紀新材料之王，是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。說人話就是——石墨烯其實就是石墨，只不過它是單層石墨。很多人都認為石墨烯是科學家發(fā)明的，其實不是的。應該說是發(fā)現(xiàn)的，因為石墨烯本來就存在于大自然中，只是很難把它剝離出單層結構來。

Figure 1. 石墨烯

科學家是如何把石墨烯剝離出來的呢？最早也是用的笨方法。

　　在2004年，英國的兩位科學家將石墨片放置在塑料膠帶中，折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們制得了石墨烯。不到6年，他們就獲得了諾貝爾獎。2018年，曹源魔角石墨烯的橫空出世，解開了石墨烯的新的篇章。

　　不得不說，石墨烯，不愧是21世紀新材料之王。

　　除了這種大自然本身存在的石墨烯，21世紀另一種神奇的材料，就是通過人工結構實現(xiàn)超常特性的一大類新型材料——“超材料”。這類材料在基本結構、性能和實現(xiàn)方法上與常規(guī)材料完全不同，其各自的優(yōu)勢和劣勢也涇渭分明—常規(guī)材料源于自然，易于獲得而難于設計；超材料正好相反，易于設計，但在很多情況下卻難于獲得。

Figure 2. 超材料

超材料涉及眾多學科領域，如物理、化學、光電子學、材料科學、半導體科學以及裝備制造等，是全球最前沿、最具有戰(zhàn)略性意義的研究課題。被美國《Science》雜志列入本世紀前10年的10項重要科學進展之一，同時《Materials Today》雜志也稱其為材料科學50年中的10項重要突破之一。

　　當新材料之王與超材料碰撞，會產生什么樣的火花呢？今日最新《Science》以題“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”發(fā)表了超材料石墨烯光電探測器的重磅進展。

　　大家都知道，網(wǎng)線的傳輸頻率對網(wǎng)線的可支持的最大傳輸速度有著最直接的影響，網(wǎng)線的頻率越高，它所能達到的最大傳輸速率也就越高。

　　今日《Science》展示了一個>500 GHz、平坦頻率響應、基于石墨烯的光電探測器，該探測器在環(huán)境條件下跨越200 nm寬的光譜帶工作，中心波長適應范圍從<1400到>4200 nm。該探測器將石墨烯與超材料完美吸收器結合在一起，并通過單模光纖進行直接照明，這打破了集成光子平臺上光電探測器的傳統(tǒng)小型化。這種設計允許更高的光功率，同時仍然允許創(chuàng)紀錄的高帶寬和數(shù)據(jù)速率。

【工作原理】

　　石墨烯光電探測器由改進的超材料完美吸收器組成（圖1A，B）。它包括金反射器背板、氧化鋁間隔層、化學氣相沉積(CVD)生長的石墨烯單層、金偶極子天線和氧化鋁鈍化層。偶極子諧振器與叉指式電接觸線相連。

圖 1. 藝術家對叉指式石墨烯超材料 PD 的看法

制造結構的掃描電子顯微照片以各種放大倍數(shù)顯示在圖2A-D中。在1550 nm平面波照射下的模擬電場分布中（圖2E），亮點顯示了類似偶極天線的行為。諧振器通過金屬接觸線連接（圖2C)，這不會干擾場模式。圖2E的底部面板顯示了靠近諧振器的高場。根據(jù)現(xiàn)場模擬，通過使用坡印亭定理計算得到的空間吸收分布（圖2F）。吸收強烈地集中在示意性添加的相互連接的諧振器附近（圖2F）。

　　為了能夠有效地提取產生的局部光激發(fā)載流子，研究人員利用了諧振器上的交替接觸金屬（圖1B）?？偟膩碚f，吸收最強的位置（圖2F）和驅動場最大的位置（圖2G）有很好的重疊。因此，該設計保證了較短的提取路徑和高效快速的載流子提取。

圖 2. 制造的設備和模擬的光學和電子行為

【光照下局部放電】

　　圖3A中提供了該裝置的光學顯微鏡圖像（頂視圖）；底部面板顯示了與電探針接觸的設備的側視圖以及與單模光纖的直接光學耦合。超材料石墨烯光電探測器的光譜行為如圖3B所示，驗證了超材料的共振增強。圖3C顯示了響應在這五個數(shù)量級上的線性行為。沒有觀察到飽和效應。作者通過激光跳動方案，設備的測量歸一化射頻 (RF) 功率顯示了在測量設置范圍內從 2 到 500 GHz 的響應（圖3D）。對于 −2.5 ± 1 V 的柵極電壓范圍，該器件的 RF 響應是平坦的（圖3E）。由于實驗裝置僅限于測量高達 500 GHz 的頻率，因此石墨烯光電探測器的真實帶寬尚未解決（圖3F）。

圖 3. 電信波長的設備性能

【超越電信波長】

　　通過利用石墨烯的零帶隙和線性色散實現(xiàn)幾乎與光譜無關的吸收，可以輕松改變超材料以增強不同波長的吸收。此外，部署具有垂直取向的附加諧振器的設計可以實現(xiàn)與偏振無關的吸收。通過簡單地改變偶極諧振器的長度，可以調整共振和吸收（圖4）。除了諧振器尺寸的直接可調性之外，還可以結合其他功能，例如多諧振，例如，可以使用同一檢測器進行近紅外和中紅外光電檢測（圖4D-G）。

圖 4. 光譜可調性和多共振架構

【總結】

　　本文演示的2至>500 GHz電光帶寬光電探測器可與傳統(tǒng)PIN光電探測器技術和單行載流子光電二極管相媲美。通過這些設備，研究人員展示了132 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，這是迄今為止已知的最高石墨烯數(shù)據(jù)速率。最后，>500 GHz的高帶寬和石墨烯與波長無關的吸收使得檢測器能夠在從1400到4200 nm及以上的窗口中的任何波長下運行。這種新的探測器具有緊湊的占地面積和與CMOS集成的能力，因此可能會滿足持續(xù)的迫切需求。

信息來源：Carbontech

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