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THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计

梁振江 刘海霞 牛燕雄 刘凯铭 尹贻恒

THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计

梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 刘凯铭, 尹贻恒
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  • 由于石墨烯在太赫兹波范围内只发生带内跃迁,相比在可见光范围内,其光学吸收特性有显著优势,通过集成石墨烯与谐振腔,将太赫兹波限制在腔内,可进一步增强石墨烯对太赫兹波的吸收. 采用麦克斯韦方程组并结合电磁场边界条件,研究了单层石墨烯在太赫兹波段范围内的光吸收机理;推导出石墨烯的传输矩阵和吸收系数方程,发现在太赫兹波段石墨烯的吸收是在可见光波段吸收的9-22倍;通过建立谐振腔型石墨烯光电探测器在太赫兹波段的光吸收模型及求解探测器吸收率方程,发现在0.12 THz处,吸收率可达0.965,相比无腔状态下石墨烯在太赫兹波段的最大吸收率0.5,提高了93%;优化设计器件结构参数并表征,最终器件响应度最高达到236.7 A/W,半高全宽为0.035 THz. 理论分析表明,采用谐振腔型石墨烯光电探测器对太赫兹波进行探测,具有高吸收率、高响应度. 研究结果对于太赫兹谐振腔型石墨烯光电探测器的设计和应用提供了理论参考.
      通信作者: 刘海霞, liuhx08@buaa.edu.cn
    • 基金项目: 北京市自然科学基金(批准号:7152089)资助的课题.
    [1]

    Yoneyama H, Yamashita M, Kasai S, Kawase K, Ito H, Ouchi T 2008 Opt. Commun. 281 1909

    [2]

    Liu S G, Zhong R B 2009 Journal of University of Electronic Science and Technology of China 38 481

    [3]

    Zhang Z L, Mu K J, Zhang C L 2009 Science and Technology 8 11

    [4]

    Li H, Cao J C, Han Y J, Guo X G, Tan Z Y, Lue J T, Luo H, Laframboise S R, Liu H C 2008 J. Appl. Phys. 104 043101

    [5]

    Williams B S 2007 Nat. Photonics 1 517

    [6]

    Guo X G, Tan Z Y, Cao J C, Liu H C 2009 Appl. Phys. Lett. 94 201101

    [7]

    Luo H, Liu H C, Song C Y, Wasilewski Z R 2005 Appl. Phys. Lett. 86 231103

    [8]

    Zhang R, Guo X G, Cao J C 2011 Acta Phys. Sin. 60 050705 (in Chinese) [张戎, 郭旭光, 曹俊诚 2011 物理学报 60 050705]

    [9]

    Phaedon A 2010 Nano Lett. 10 4285

    [10]

    Bolotin K I, Sikes K J, Jiang Z, Klima M, Fudenberg G, Hone J, Kim P, Stormer H L 2008 Solid State Commun. 146 351

    [11]

    Wright A R, Cao J C, Zhang C 2009 Phys. Rev. Lett. 103 207401

    [12]

    Ryzhii M, Otsuji T, Mitin V, Ryzhii V 2011 Jpn. J. Appl. Phys. 50 070117

    [13]

    Vicarelli L, Vitiello M S, Coquillat D, Lombardo A, Ferrari A C, Knap W, Polini M, Pellegrini V, Tredicucci A 2012 Nat. Mater. 11 865

    [14]

    Mittendorff M, Winnerl S, Kamann J, Eroms J, Weiss D, Schneider H, Helm M 2013 Appl. Phys. Lett. 103 021113

    [15]

    Muraviev A V, Rumyantsev S L, Liu G, Balandin A A, Knap W, Shur M S 2013 Appl. Phys. Lett. 103 181114

    [16]

    Zak A, Andersson M A, Bauer M, Matukas J, Lisauskas A, Roskos H G, Stake J 2014 Nano Lett. 14 5834

    [17]

    Spirito D, Coquillat D, Bonis S L, Lombardo A, Bruna M, Ferrari A C, Pellegrini V, Tredicucci A, Knap W, Vitiello M S 2014 Appl. Phys. Lett. 104 061111

    [18]

    Engel M, Steiner M, Lombardo A, Ferrari A C, Lohneysen H V, Avouris P, Krupke R 2012 Nat. Commun. 3 906

    [19]

    Furchi M M, Urich A, Pospischil A, Lilley G, Unterrainer K, Detz H 2012 Nano Lett. 12 2773

    [20]

    Xia F N, Mueller T, Lin Y M, Valdes-Garcia A, Avouris P 2009 Nat. Nanotechnol. 4 839

    [21]

    Deng X H, Liu J T, Yuan J R, Wang T B 2015 Acta Phys. Sin. 64 057801 (in Chinese) [邓新华, 刘江涛, 袁吉仁, 王同标 2015 物理学报 64 057801]

    [22]

    Dong H M, Zhang J, Peeters F M, Xu W 2009 J. Appl. Phys. 106 043103

    [23]

    Chen Y L, Feng X B, Hou D D 2013 Acta Phys. Sin. 62 187301 (in Chinese) [陈英良, 冯小波, 侯德东 2013 物理学报 62 187301]

    [24]

    Horng J, Chen C F, Geng B, Girit C, Zhang Y, Hao Z, Bechtel H A, Martin M, Zettl A, Crommie M F, Shen Y R, Wang F 2011 Phys. Rev. B 83 165113

    [25]

    Song S F 2012 Laser & Infrared 42 1367

    [26]

    Zhou Y 2009 M. S. Thesis (Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China) (in Chinese) [周勇 2009 硕士学位论文 (成都: 电子科技大学)]

    [27]

    Ferreira A, Peres N M R, Ribeiro R M, Stauber T 2012 Phys. Rev. B 85 115438

  • [1]

    Yoneyama H, Yamashita M, Kasai S, Kawase K, Ito H, Ouchi T 2008 Opt. Commun. 281 1909

    [2]

    Liu S G, Zhong R B 2009 Journal of University of Electronic Science and Technology of China 38 481

    [3]

    Zhang Z L, Mu K J, Zhang C L 2009 Science and Technology 8 11

    [4]

    Li H, Cao J C, Han Y J, Guo X G, Tan Z Y, Lue J T, Luo H, Laframboise S R, Liu H C 2008 J. Appl. Phys. 104 043101

    [5]

    Williams B S 2007 Nat. Photonics 1 517

    [6]

    Guo X G, Tan Z Y, Cao J C, Liu H C 2009 Appl. Phys. Lett. 94 201101

    [7]

    Luo H, Liu H C, Song C Y, Wasilewski Z R 2005 Appl. Phys. Lett. 86 231103

    [8]

    Zhang R, Guo X G, Cao J C 2011 Acta Phys. Sin. 60 050705 (in Chinese) [张戎, 郭旭光, 曹俊诚 2011 物理学报 60 050705]

    [9]

    Phaedon A 2010 Nano Lett. 10 4285

    [10]

    Bolotin K I, Sikes K J, Jiang Z, Klima M, Fudenberg G, Hone J, Kim P, Stormer H L 2008 Solid State Commun. 146 351

    [11]

    Wright A R, Cao J C, Zhang C 2009 Phys. Rev. Lett. 103 207401

    [12]

    Ryzhii M, Otsuji T, Mitin V, Ryzhii V 2011 Jpn. J. Appl. Phys. 50 070117

    [13]

    Vicarelli L, Vitiello M S, Coquillat D, Lombardo A, Ferrari A C, Knap W, Polini M, Pellegrini V, Tredicucci A 2012 Nat. Mater. 11 865

    [14]

    Mittendorff M, Winnerl S, Kamann J, Eroms J, Weiss D, Schneider H, Helm M 2013 Appl. Phys. Lett. 103 021113

    [15]

    Muraviev A V, Rumyantsev S L, Liu G, Balandin A A, Knap W, Shur M S 2013 Appl. Phys. Lett. 103 181114

    [16]

    Zak A, Andersson M A, Bauer M, Matukas J, Lisauskas A, Roskos H G, Stake J 2014 Nano Lett. 14 5834

    [17]

    Spirito D, Coquillat D, Bonis S L, Lombardo A, Bruna M, Ferrari A C, Pellegrini V, Tredicucci A, Knap W, Vitiello M S 2014 Appl. Phys. Lett. 104 061111

    [18]

    Engel M, Steiner M, Lombardo A, Ferrari A C, Lohneysen H V, Avouris P, Krupke R 2012 Nat. Commun. 3 906

    [19]

    Furchi M M, Urich A, Pospischil A, Lilley G, Unterrainer K, Detz H 2012 Nano Lett. 12 2773

    [20]

    Xia F N, Mueller T, Lin Y M, Valdes-Garcia A, Avouris P 2009 Nat. Nanotechnol. 4 839

    [21]

    Deng X H, Liu J T, Yuan J R, Wang T B 2015 Acta Phys. Sin. 64 057801 (in Chinese) [邓新华, 刘江涛, 袁吉仁, 王同标 2015 物理学报 64 057801]

    [22]

    Dong H M, Zhang J, Peeters F M, Xu W 2009 J. Appl. Phys. 106 043103

    [23]

    Chen Y L, Feng X B, Hou D D 2013 Acta Phys. Sin. 62 187301 (in Chinese) [陈英良, 冯小波, 侯德东 2013 物理学报 62 187301]

    [24]

    Horng J, Chen C F, Geng B, Girit C, Zhang Y, Hao Z, Bechtel H A, Martin M, Zettl A, Crommie M F, Shen Y R, Wang F 2011 Phys. Rev. B 83 165113

    [25]

    Song S F 2012 Laser & Infrared 42 1367

    [26]

    Zhou Y 2009 M. S. Thesis (Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China) (in Chinese) [周勇 2009 硕士学位论文 (成都: 电子科技大学)]

    [27]

    Ferreira A, Peres N M R, Ribeiro R M, Stauber T 2012 Phys. Rev. B 85 115438

  • [1] 梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 尹贻恒. 基于谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计及 性能分析. 物理学报, 2016, 65(13): 138501. doi: 10.7498/aps.65.138501
    [2] 马士华, 施宇蕾, 徐新龙, 严 伟, 杨玉平, 汪 力. 用太赫兹时域光谱技术探测天冬酰胺的低频集体吸收频谱. 物理学报, 2006, 55(8): 4091-4095. doi: 10.7498/aps.55.4091
    [3] 韩煜, 袁学松, 马春燕, 鄢扬. 波瓣波导谐振腔太赫兹回旋管的研究. 物理学报, 2012, 61(6): 064102. doi: 10.7498/aps.61.064102
    [4] 张真真, 黎华, 曹俊诚. 高速太赫兹探测器. 物理学报, 2018, 67(9): 090702. doi: 10.7498/aps.67.20180226
    [5] 冯伟, 张戎, 曹俊诚. 基于石墨烯的太赫兹器件研究进展. 物理学报, 2015, 64(22): 229501. doi: 10.7498/aps.64.229501
    [6] 戴雨涵, 陈小浪, 赵强, 张继华, 陈宏伟, 杨传仁. 太赫兹波段谐振频率可调的开口谐振环结构. 物理学报, 2013, 62(6): 064101. doi: 10.7498/aps.62.064101
    [7] 梁静秋, 梁中翥, 朱万彬, 苏法刚. 光辐射吸收材料表面形貌与吸收率关系研究. 物理学报, 2011, 60(5): 057802. doi: 10.7498/aps.60.057802
    [8] 魏相飞, 何锐, 张刚, 刘向远. InAs/GaSb量子阱中太赫兹光电导特性. 物理学报, 2018, 67(18): 187301. doi: 10.7498/aps.67.20180769
    [9] 杨磊, 范飞, 陈猛, 张选洲, 常胜江. 多功能太赫兹超表面偏振控制器. 物理学报, 2016, 65(8): 080702. doi: 10.7498/aps.65.080702
    [10] 周康, 黎华, 万文坚, 李子平, 曹俊诚. 太赫兹量子级联激光器频率梳的色散. 物理学报, 2019, 68(10): 109501. doi: 10.7498/aps.68.20190217
    [11] 张端明, 李 莉, 李智华, 关 丽, 侯思普, 谭新玉. 靶材吸收率变化与烧蚀过程熔融前靶材温度分布. 物理学报, 2005, 54(3): 1283-1289. doi: 10.7498/aps.54.1283
    [12] 史生才, 李婧, 张文, 缪巍. 超高灵敏度太赫兹超导探测器. 物理学报, 2015, 64(22): 228501. doi: 10.7498/aps.64.228501
    [13] 董海明. 掺杂石墨烯系统电场调控的非线性太赫兹光学特性研究. 物理学报, 2013, 62(23): 237804. doi: 10.7498/aps.62.237804
    [14] 刘亚青, 张玉萍, 张会云, 吕欢欢, 李彤彤, 任广军. 光抽运多层石墨烯太赫兹表面等离子体增益特性的研究. 物理学报, 2014, 63(7): 075201. doi: 10.7498/aps.63.075201
    [15] 李丹, 刘勇, 王怀兴, 肖龙胜, 凌福日, 姚建铨. 太赫兹波段石墨烯等离子体的增益特性. 物理学报, 2016, 65(1): 015201. doi: 10.7498/aps.65.015201
    [16] 张银, 冯一军, 姜田, 曹杰, 赵俊明, 朱博. 基于石墨烯的太赫兹波散射可调谐超表面. 物理学报, 2017, 66(20): 204101. doi: 10.7498/aps.66.204101
    [17] 陶泽华, 董海明, 段益峰. 太赫兹辐射场下的石墨烯光生载流子和光子发射. 物理学报, 2018, 67(2): 027801. doi: 10.7498/aps.67.20171730
    [18] 闫昕, 梁兰菊, 张璋, 杨茂生, 韦德泉, 王猛, 李院平, 吕依颖, 张兴坊, 丁欣, 姚建铨. 基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控. 物理学报, 2018, 67(11): 118102. doi: 10.7498/aps.67.20180125
    [19] 付亚男, 张新群, 赵国忠, 李永花, 于佳怡. 基于谐振环的太赫兹宽带偏振转换器件研究. 物理学报, 2017, 66(18): 180701. doi: 10.7498/aps.66.180701
    [20] 周璐, 赵国忠, 李晓楠. 基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生. 物理学报, 2019, 68(10): 108701. doi: 10.7498/aps.68.20182147
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-04-23
  • 修回日期:  2016-05-30
  • 刊出日期:  2016-08-05

THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计

  • 1. 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
  • 通信作者: 刘海霞, liuhx08@buaa.edu.cn
    基金项目: 

    北京市自然科学基金(批准号:7152089)资助的课题.

摘要: 由于石墨烯在太赫兹波范围内只发生带内跃迁,相比在可见光范围内,其光学吸收特性有显著优势,通过集成石墨烯与谐振腔,将太赫兹波限制在腔内,可进一步增强石墨烯对太赫兹波的吸收. 采用麦克斯韦方程组并结合电磁场边界条件,研究了单层石墨烯在太赫兹波段范围内的光吸收机理;推导出石墨烯的传输矩阵和吸收系数方程,发现在太赫兹波段石墨烯的吸收是在可见光波段吸收的9-22倍;通过建立谐振腔型石墨烯光电探测器在太赫兹波段的光吸收模型及求解探测器吸收率方程,发现在0.12 THz处,吸收率可达0.965,相比无腔状态下石墨烯在太赫兹波段的最大吸收率0.5,提高了93%;优化设计器件结构参数并表征,最终器件响应度最高达到236.7 A/W,半高全宽为0.035 THz. 理论分析表明,采用谐振腔型石墨烯光电探测器对太赫兹波进行探测,具有高吸收率、高响应度. 研究结果对于太赫兹谐振腔型石墨烯光电探测器的设计和应用提供了理论参考.

English Abstract

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