基于石墨烯场效应管的太赫兹天文探测器研究
批准号:
U1531109
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
47.0 万元
负责人:
刘锋
依托单位:
学科分类:
恒星晚期演化及爆发、致密天体及其相关高能过程
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
涂泓、肖桂娜、陈骏伟、张轶、陈金鑫、徐世佳
中文摘要
太赫兹波具有带宽大、能量适中等特点,在材料科学、光学通讯、环境监测、国土安全等领域具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。重要地是,太赫兹波段涵盖了超过一半的宇宙空间光子、星际分子及冷暗天体的辐射特征,因此在射电天文领域具有非常独特的研究价值。传统天文领域探测太赫兹辐射的方法一般利用肖特基二极管、超导-绝缘体-超导隧穿结以及热电子辐射热计等混频器件进行外差式探测,然而,这些探测器要么受限于较低的探测频率,要么需要在极严苛的环境温度下工作。因此,本项目的研究目标就是进行新型太赫兹探测器的机理研究和器件开发。我们准备利用石墨烯这种新型二维电子气作为场效应晶体管的沟道,利用沟道中可调谐的等离子体波(即电子密度波)对外界太赫兹辐射的整流效应,通过测量晶体管源漏极间的直流电学特性来实现频率可调谐、高灵敏度的太赫兹探测目的。研究预计将在包括射电天文领域在内的许多领域具有非常广阔的应用前景。
英文摘要
Terahertz wave, due to its characteristics including broadband and moderate energy, is of great scientific importance and wide application prospects in various fields such as materials science, optical communication, environmental monitoring, and homeland security. Importantly, terahertz radiation has quite unique values in radio astronomical observation in that more than one half space radiation from cosmos, interstellar molecules, and cold dark celestial bodies has such ‘fingerprint’ characteristics. Traditionally, heterodyne techniques are applied for the terahertz photomixers mediated by Schottky diode (SD), superconductor-insulator-superconductor (SIS), or hot-electron bolometer (HEB). However, these are either hampered by the low working frequency or constrained by the cryogenic working temperature. This proposal aims at the mechanism investigations and application fabrications of novel terahertz detectors. We propose that the terahertz radiation detection can be achieved by using two-dimensional plasma waves (electron density wave) propagating in the graphene channel of field-effect transistor (FET). The d.c. signals induced by the rectification of nonlinear plasma transfer between the source and drain in the FET are used to characterize the terahertz radiation, inspiring the novel exploration of frequency-tunable, highly sensitive terahertz detectors. Such investigations and applications will surely bring great prospects in various fields, especially in radio astronomy.
太赫兹波具有带宽大、能量适中等特点,在材料科学、光学通讯、环境监测、国土安全等领域具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。重要地是,太赫兹波段涵盖了超过一半的宇宙空间光子、星际分子及冷暗天体的辐射特征,因此在射电天文领域具有非常独特的研究价值。传统天文领域探测太赫兹辐射的方法一般利用肖特基二极管、超导-绝缘体-超导隧穿结以及热电子辐射热计等混频器件进行外差式探测,然而,这些探测器要么受限于较低的探测频率,要么需要在极严苛的环境温度下工作。因此,本项目的研究目标就是进行新型太赫兹探测器的机理研究和器件开发。.我们主要进行了不同沟道阻尼对太赫兹波的响应机理研究;基于以上理论研究,我们进行了石墨烯沟道载流子对入射太赫兹波的整流效应研究;石墨烯基FET架构的太赫兹波探测器设计、制备和开发;研究了石墨烯FET结构光电响应与太赫兹波辐射频率、功率等参数之间的关系;研究了不同栅极电压下探测器的光响应度。通过对石墨烯载流子在FET沟道中运动时的动力学过程研究,我们发现石墨烯等离子体波可以与太赫兹辐射发生共振响应,在电荷输运上表现为光电流和光电压。若等离子体波在沟道中阻尼较大,则载流子在源漏极之间的定向移动会产生与入射太赫兹电磁波辐射功率成正比的直流电压,可以利用这种FET结构的宽谱非共振响应特性实现对太赫兹辐射的探测。实验中,我们发现响应度和栅极电压相关,在电中性点附近的响应最灵敏。固定栅压为约20 V, 通过将太赫兹信号从0.01 mW调制2.3 mW,我们发现其光电压从约10-8 V变至约10-5 V,响应度达到100 mV/W,且该响应度不随着斩波器频率的变化而变化(<1 KHz)。该探测器的噪声等值功率达到约~ 500 nW Hz-1/2的水平。噪声主要来源于Johnson Nyquist机制贡献。
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Tunable graphene near-IR dielectric loaded waveguides
可调谐石墨烯近红外电介质负载波导
DOI:
10.1088/0022-3727/49/26/265102
发表时间:
2016
期刊:
Journal of Physics D: Applied Physics
影响因子:
--
作者:
[Liu Chunlin, He Xiaoyong, Zhao Zhenyu, Lin Fangting, Liu Feng, Shi Wangzhou]
通讯作者:
Shi Wangzhou
Tunable high Q-factor terahertz complementary graphene metamaterial
可调谐高Q值太赫兹互补石墨烯超材料
DOI:
10.1088/1361-6528/aae0d7
发表时间:
2018
期刊:
Nanotechnology
影响因子:
3.5
作者:
[He Xiaoyong, Lin Fangting, Liu Feng, Shi Wangzhou]
通讯作者:
Shi Wangzhou
Color-tunable emission of quantum dots via strong exciton-plasmon coupling in nanoporous gold structure at room temperature
室温下通过纳米多孔金结构中的强激子-等离子体耦合实现量子点颜色可调发射
DOI:
10.1364/oe.24.020219
发表时间:
2016
期刊:
Optics Express
影响因子:
3.8
作者:
[Zhao X., Chen L., Chen J., Shi W., Liu F.]
通讯作者:
Liu F.
DOI:
10.1016/j.jallcom.2015.11.015
发表时间:
2016-02
期刊:
Journal of Alloys and Compounds
影响因子:
6.2
作者:
[Xiaojing Zhao;Shi Wangzhou;H. Mu;Haifen Xie;F. Liu]
通讯作者:
Xiaojing Zhao;Shi Wangzhou;H. Mu;Haifen Xie;F. Liu
Integrated structural color array enabled by ultrathin silver film via cavity-enhanced absorption
超薄银膜通过腔增强吸收实现集成结构颜色阵列
DOI:
10.1007/s11082-018-1427-y
发表时间:
2018-03
期刊:
Opt Quant Electron
影响因子:
--
作者:
[Yi Zhang, Junli Duan, Mingfei Wu, Ying Zhi, Xiaowen Li, Yikai Zhou, Wangzhou Shi, Feng Liu]
通讯作者:
Feng Liu
共 9 条
面向多任务的LCT亚毫米波接收机关键技术
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批准号:12141303
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项目类别:专项项目
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资助金额:240.00万元
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批准年份:2021
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负责人:刘锋
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依托单位:
面向LCT望远镜的345GHz亚毫米波边带分离接收机研制及其关键技术研究
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批准号:12073018
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项目类别:面上项目
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资助金额:64.0万元
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批准年份:2020
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负责人:刘锋
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依托单位:
生物体“超负角色散”现象及结构色研究
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批准号:11104187
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:28.0万元
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批准年份:2011
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负责人:刘锋
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依托单位:
国内基金
海外基金