材料系统使用石墨烯和金箔生成太赫兹波

一个德国-西班牙联合研究小组开发出一种基于石墨烯的方法以提高科学家产生太赫兹脉冲的效率。在这个系统中，研究人员用金属薄层结构（特别是金层）涂覆石墨烯薄层。科学家目前使用加速器器件，这些器件通常是复杂的，大型激光设备可以产生太赫兹波。新材料系统的功能使其与现有的半导体技术兼容，在有效的从千兆赫兹频率过渡到太赫兹频率的同时，比现有的太赫兹源和转换器的效率更高。

虽然石墨烯是一个已知的倍增材料（当处在低太赫兹频率范围内的光脉冲 [0.3 至 0.7 THz] 照射 到2D 碳材料上面时，石墨烯能将其转换为更高的频率），有效的太赫兹脉冲之前通常依赖极强的输入信号。这需要粒子加速器在全尺度或大型的激光系统中运行，从而可靠地生成此类信号。这使得该方法在许多应用中不兼容，其中包括电信通信（5G及更高版本的通信协议）。

超薄金层可以大幅度地放大底层石墨烯层输入的太赫兹脉冲（红色），以实现高效的频率倍增。HZDR/ Werkstatt X供图。

为了开发一种材料系统以降低所需的输入强度，研究人员对石墨烯涂上了金层;其功能很像天线，金层可以放大石墨烯中输入的太赫兹辐射。Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology（ICN2）的Klaas-Jan Tielrooji说，在物理系统中，这种特性在石墨烯暴露在金层中时提供了非常强的太赫兹场。

ICN2的研究人员与Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）、Institute of Photonic Sciences（ICFO）、柏林University of Bielefeld和美因茨Max Planck Institute for Polymer Research的研究人员共同合作进行了这项研究。这个团队测试了这个概念，他们通过将石墨烯层应用在玻璃载体上，随后在石墨烯上沉积一层超薄氧化铝进行绝缘。然后，研究人员添加了一个金栅格。当用低太赫兹范围内的光脉冲击中材料时，入射的光辐射频率成倍的增加，这使得团队能够检测和分析这个过程是否有效。

HZDR的TELBE太赫兹设施的Sergey Kovalev说，"与未经处理的石墨烯相比，较弱的输入信号就足以产生频率倍增的信号。" 最初产生频率倍增信号所需要的太赫兹场强度的十分之一就足以让研究人员观察到频率倍增。一旦发生转换，系统中脉冲的功率比使用其它方法强1000倍。研究人员报告说，扩大薄层的宽度和减少暴露的石墨烯层的覆盖面积增强了这个过程以及其效果。团队成员还展示了实现频率输入增加至 9 倍的能力。

这种新材料增加了从千兆赫到太赫兹纯电学信号过渡的可能性，特别是在大大减少了工作量的情况下实现这一过渡。Institute of Radiation Physics HZDR的Jan-ChristophDeinert是该研究的第一作者，他说这个系统可以被整合到芯片上面。研究人员说太赫兹范围，以及他们的系统支持在材料研究，传感器和探测器方面的研究应用。

这项研究成果发表在《ACS Nano》上。(www.doi.org/10.1021/acsnano.0c08106).