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基于石墨烯的等离子体波太赫兹应用器件

DOI：10.1063/1.5140712 期刊：Applied Physics Letters 出版年份：2020 更新时间：2025-09-19 17:13:59
摘要： 石墨烯的独特性质相结合，能够实现可能彻底改变太赫兹（THz）电子技术的石墨烯等离子体器件。高载流子迁移率使其能够激发共振等离子体波。石墨烯的双极性特性为等离子体波激发提供了不同机制。双层及多层石墨烯结构可实现更优的太赫兹器件构型。石墨烯与h-BN、黑磷等材料体系形成高质量异质结构的能力，支持由石墨烯与其他新兴材料最优特性构成的先进异质结构器件。特别是利用黑磷化合物冷却石墨烯中的电子-空穴等离子体，可显著改善太赫兹激光的工作条件。高光学声子能量使石墨烯能实现更高等离子体频率，而高面载流子密度则支撑该频率。石墨烯技术的最新进展，结合对太赫兹等离子体器件物理及器件设计的更深入理解，有望使石墨烯太赫兹等离子体技术成为石墨烯关键应用之一。等离子体石墨烯技术的商业化面临与其他石墨烯应用相同的挑战——难以制备均匀的大尺寸高质量单层/双层石墨烯及异质结构，以及制作低电阻稳定的欧姆接触。目前大规模石墨烯电子器件应用的时间表已延至2030年代。但新兴的石墨烯量产技术可能使太赫兹等离子体技术的商业化应用更早实现。
作者： V. Ryzhii，T. Otsuji，M. Shur
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研究概述 实验方案

研究目的

为探究石墨烯的独特特性，以开发有望彻底改变太赫兹（THz）电子技术的石墨烯等离子体器件，重点研究共振等离子体波的激发、等离子体波激发的不同机制，以及通过石墨烯双层和多层结构改进THz器件配置的潜力。

研究成果

石墨烯等离子体激元技术有望发挥特殊作用，因为它能充分利用石墨烯从二维结构、高光学声子能量到长动量弛豫时间等一系列独特特性。该技术已展现出通过可调谐共振模式将响应增强数个数量级的潜力，并能直接耦合太赫兹、红外和光学信号，避免互连和接触带来的不利影响。与硅及二维异质结构的集成、光栅门控石墨烯结构、石墨烯等离子体激元天线与波导等重要发展方向无疑将得到进一步探索。

研究不足

等离子体激元石墨烯技术的关键挑战在于弥合预测性能与实际表现之间的差距，并推动该技术实现市场化。主要障碍包括：制备高质量石墨烯的难度、制作低电阻稳定欧姆接触的难题，以及大规模加工的困难。石墨烯边缘、空位缺陷、层数差异以及局部无序性都会影响石墨烯质量与可重复性，进而影响器件性能和规?；?。

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