研究背景
太赫兹（0.1–10 THz）探测是成像、光谱与高速通信的关键技术。石墨烯凭借高迁移率与优异的热电性质，可基于热载流子光热电效应实现室温、宽带、快速探测；但低频太赫兹波与原子级薄的石墨烯作用极弱，高效耦合与增强吸收是太赫兹探测器的核心难题。
成果简介
近日，上海理工大学朱亦鸣教授、郭旭光研究员团队把金偶极天线与石墨烯耦合，提出天线–石墨烯混合表面等离激元（HSPP）机制：杂化激发的混合等离激元把太赫兹电场局域在深亚波长尺度，增强石墨烯吸收并产生热载流子；再以硅衬底背面的金镜构成法布里–珀罗微腔，抑制辐射损耗、进一步抬升吸收，理论吸收率超过 90%。
器件以 243 μm 厚的本征硅为衬底，微腔一阶谐振恰在 89 GHz 附近，石墨烯沟道长 5 μm。器件所用少层石墨烯与 PDMS 均购自上海昂维科技，石墨烯在 PDMS 上机械剥离后经转移平台转移到预图案化金电极上。
室温、零偏压下，器件在 89 GHz 谐振频率处峰值电压响应率达 619.7 V/W，噪声等效功率低至 10.3 pW/Hz^1/2，响应时间仅 4.9 ns；在 60–140 GHz 宽频段内平均噪声等效功率为 26.5 pW/Hz^1/2。
团队还以 100 GHz 为载波完成太赫兹无线通信演示：将文字「THZ」按 ASCII 编码调制、经自由空间发送，探测器成功接收并恢复信息。
图注说明
图1 器件结构与太赫兹探测原理。(a)金偶极天线–石墨烯–微腔结构示意；(b)偶极子、微腔与石墨烯等离激元的耦合谐振机制；(c)混合等离激元介导的三种带内电子–空穴对产生机制；(d)太赫兹驱动的热载流子效应。
图2 天线–石墨烯混合结构的数值模拟。(a)两种费米能级下石墨烯等离激元的色散关系；(b)不同长度石墨烯条带的一至三阶共振吸收峰；(c)(d)混合等离激元共振频率随天线长度的变化；(e)有无石墨烯桥接时 500 μm 偶极天线的吸收谱，混合模式劈裂为约 90 GHz 与 0.3 THz 两峰；(f)微腔结构在不同石墨烯弛豫时间下的吸收谱。
图3 太赫兹光热电探测器的表征。(a)探测器结构示意；(b)双温模型模拟的电子与晶格温度分布；(c)有无太赫兹照射的电流–电压特性；(d)(e)有无底部金镜的电压响应率与噪声等效功率，89 GHz 处响应率达 619.7 V/W、噪声等效功率低至 10.3 pW/Hz^1/2；(f)零偏光电流谱，3 dB 带宽 32 MHz、响应时间 4.9 ns；(g)偏振依赖光电流响应；(h)与已报道室温太赫兹探测器的性能对比。
图4 太赫兹无线通信演示。(a)载波 100 GHz 的太赫兹通信装置示意；(b)承载 ASCII 编码信息的调制电压波形；(c)探测器记录的接收信号，编码信息被成功恢复。
总结展望
该工作以混合等离激元–微腔协同增强同时破解太赫兹耦合与吸收难题，为低维光电系统突破量子效率限制提供普适策略；室温、零偏压、纳秒级的亚太赫兹探测器有望用于快速成像与宽带无线通信。
文献链接
https://doi.org/10.1002/lpor.72179
Ultrasensitive and High-Speed Room-Temperature Sub-Terahertz Photothermoelectric Detectors: Antenna-Graphene Hybrid Plasmon and Microcavity Effects
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