[發明專利]基于多層-單層石墨烯結的太赫茲探測器及制備方法

有效

• 申請號: 201910072730.5
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109817802B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 張有為;曹高奇;胡方靖;馬衎衎;王順
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;深圳華中科技大學研究院
• 主分類號: H01L35/28
• 分類號: H01L35/28;H01L35/22;H01L35/32;H01L35/34
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明公開一種基于多層?單層石墨烯結的太赫茲探測器及制備方法，該探測器中的導電溝道由彼此相連的多層?單層石墨烯結構成，且該多層?單層石墨烯結是太赫茲波探測的有效靈敏區域；在太赫茲波照射下，多層石墨烯的光熱電效應電動勢大于單層石墨烯的光熱電效應電動勢，從而形成由多層石墨烯主導的合光熱電效應電動勢；該合光熱電效應電動勢在電路中以電壓或電流輸出最終得到太赫茲波響應。此外，通過柵壓電場對上述合光熱電效應電動勢調控，可進一步提升探測器響應度、靈敏度。與現有技術相比，本發明結合單層與多層石墨烯各自的優點，能夠有效增加探測器的響應度，從而在室溫下實現響應速度快、響應度高的太赫茲探測。

技術領域

本發明屬于太赫茲技術領域，更具體地，涉及一種基于多層-單層石墨烯結的太赫茲探測器及制備方法。

背景技術

通常將頻率在0.1-10THz的電磁波稱為太赫茲波，該波段介于遠紅外光與毫米波之間。相比于現階段已經非常成熟的紅外和微波技術，太赫茲頻段由于受到有效太赫茲產生源和靈敏探測器的限制，其發展較為緩慢，形成了所謂的太赫茲間隙(THz Gap)。相比其他波段，太赫茲波具有很多獨特的性質：1)寬頻性，太赫茲波頻譜非常寬，涵蓋了波長從30μm到3000μm的波段范圍，可作為高速無線通信的候選頻段；2)透視性，太赫茲波對非金屬非極性材料具有優秀的穿透能力，有望作為X射線成像和超聲波成像技術的補充；3)安全性，太赫茲波光子能量低，只有毫電子伏量級，不會產生電離反應，應用于安檢或生物醫學成像安全性高；4)物質的太赫茲光譜(包括透射譜和反射譜)包含著非常豐富的物理和化學信息，很多分子特別是有機分子的振動和轉動能級位于太赫茲波段，具有很強的指紋特征。結合上述特性，太赫茲的應用技術主要由太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術兩大關鍵技術構成。利用太赫茲成像技術與太赫茲波譜技術，太赫茲波在安全檢查、無損光譜探測、生物醫學成像、工業探傷、寬帶通信、雷達探測等領域展現出廣闊的應用前景。

常用的太赫茲探測技術有相干探測技術與直接探測技術。直接探測技術無需本地振蕩源等，因而能夠極大地簡化探測系統，降低設備成本，同時也符合儀器設備微型化、集成化的發展趨勢。太赫茲探測器在太赫茲探測技術中處于核心位置，太赫茲探測技術的研究與應用離不開高性能的太赫茲探測器。目前基于直接探測技術的太赫茲探測器主要基于熱原理，如高萊探測器、熱釋電探測器、超導測輻射熱計等。但上述太赫茲探測器在工作溫度，器件體積，響應速度、集成度等方面都有其各自缺點，這嚴重地制約了太赫茲技術的廣泛應用。因此，開發高靈敏度、快速響應、微型化、便攜式的新型室溫太赫茲探測器已成為相關領域的熱點之一。

石墨烯作為新興二維材料的代表具有高載流子遷移率、無帶隙寬光譜吸收等特性，是一種具有廣泛應用前景的光電探測材料。在石墨烯晶格中，電子的熱容小，電子-聲子耦合弱，電子-電子耦合強，從而導致光照下電子溫度相比周圍晶格會迅速升高，形成顯著的光生熱載流子光熱電效應(Photothermoelectric effect)。因此，利用石墨烯中的光熱電效應能夠實現有效的太赫茲波探測。文獻報道的基于光熱電效應的石墨烯器件在室溫下對太赫茲波表現出皮秒(ps)量級的快速響應，但受限于單層石墨烯較弱的光吸收效率和較低的塞貝克系數，器件的太赫茲響應度仍有較大提升空間。相比于單層石墨烯，多層石墨烯在一定的層數范圍內具有更弱的電子-聲子耦合作用，因而載流子弛豫時間更長，光生熱載流子溫度更高，再加上塞貝克系數更大，有助于產生更強的光熱電效應。此外，對于單層石墨烯探測器，單個分子層的光吸收截面導致大多數太赫茲輻射并未被探測器吸收。相比之下，多層石墨烯具有更厚的光吸收截面，因而除了少部分反射光外，大多數入射到探測器上的太赫茲波都能夠被多層石墨烯吸收，從而可以顯著提升器件的量子效率，增加探測器光響應度。但另一方面，基于單層石墨烯的太赫茲探測器也具有不少優點，比如高載流子遷移率與低器件熱噪聲等。并且和多層石墨烯相比，單層石墨烯的費米能級能夠被柵壓電場在更大范圍內調控，從而實現更大范圍內電阻率與塞貝克系數的調制。

發明內容