单双层石墨烯的制备及电导特性调控

石墨烯二维材料有着优异的物理、化学特性,在多个科学领域展现出广阔的应用前景.采用化学气相沉积方法在Cu-Ni合金表面制备了二维石墨烯薄膜并揭示其生长机制;研究生长时间、温度等对石墨烯覆盖度和晶格质量的影响.通过优化生长条件,成功制备了大面积单层及具有强烈层间耦合作用的AB堆叠双层石墨烯薄膜.进一步运用表面沉积技术在单层石墨烯上构建零维Au团簇和二维Au薄膜,研究其对石墨烯电导特性的影响;并结合第一性原理计算,揭示Au的形态及覆盖度影响石墨烯电导特性的规律.据此制作了石墨烯场效应晶体管器件,通过精确控制Au的覆盖度,实现石墨烯电导类型和载流子浓度的有效调控,拓展了其在微电子领域的应用.     

可调谐石墨烯光电子器件

凭借着良好的光电、力学和热学性能,石墨烯是目前凝聚态物理领域一个重要的研究热点.而且由于石墨烯的色散关系在狄拉克点附近呈现线性特性,石墨烯的光电特性可以通过外加电场、磁场和温度来加以调节.因此,石墨烯是研究可调谐器件的良好平台.基于石墨烯的电导率随费米能级有明显改变的特点,在分析石墨烯器件的调制机制的基础上,对石墨烯可调谐器件在太赫兹、中红外和近红外的应用发展进行了综述研究.     

可调谐石墨烯光电子器件（英文）

凭借着良好的光电、力学和热学性能,石墨烯是目前凝聚态物理领域一个重要的研究热点.而且由于石墨烯的色散关系在狄拉克点附近呈现线性特性,石墨烯的光电特性可以通过外加电场、磁场和温度来加以调节.因此,石墨烯是研究可调谐器件的良好平台.基于石墨烯的电导率随费米能级有明显改变的特点,在分析石墨烯器件的调制机制的基础上,对石墨烯可调谐器件在太赫兹、中红外和近红外的应用发展进行了综述研究.     

多层电磁超材料在太赫兹技术中的应用研究进展

基于电磁超材料的电磁谐振通过合理设计可以实现太赫兹波段的频率响应,为太赫兹波调控开辟了新的道路,特别是利用多层电磁超材料设计的太赫兹功能器件.本文综述了当前国内外基于多层电磁超材料在太赫兹波段技术的应用研究进展,分类介绍了其在太赫兹滤波器、吸收器、偏振器等方面的应用,最后对多层超材料在太赫兹技术应用的发展趋势作了探讨.     

基于环形电磁矩超材料的可调谐太赫兹吸收器

本文提出一种反向开口双金属谐振环超材料集成微流通道的可调谐太赫兹波吸收器.数值分析了超材料环形电磁矩的高效激发,讨论了环形电磁矩的共振吸收谱对微流介质层的介电参数与磁参数调控的响应.采用可电控液晶材料注入微流通道的方案,通过太赫兹透明电极施加外部电场控制液晶折射率变化,实现太赫兹超材料吸收器工作频率的大范围动态调谐.频率移动量超过100%的共振带宽,相对调谐量(Δf/f)可高达15%,频率调谐呈现良好的线性操作特征和近100%吸收率的完美吸收性能.所提出的可调谐太赫兹吸收器在太赫兹探测和微流生化传感领域具有广阔的应用前景.     

基于石墨烯双曲色散腔中回音廊共振的纳米激光器

本文设计并研究了基于石墨烯球形双曲色散超材料腔(由多层石墨烯和介质交替包裹介质核组成)中回音廊共振的纳米激光器.首先说明该石墨烯-介质核壳结构具有双曲型色散关系,支持共振波长远大于腔尺寸的回音廊模式,能够把电场局域在深度亚波长的区域.另外,由于该腔支持多个不同阶次的偶极回音廊共振,并能够在不同介质层中形成强约束电场,具有高Purcell因子.因此,通过在相应的介质层引入增益,可实现多波长激射,且阈值较低.对于直径404 nm的腔,在32.3μm的激射阈值仅为80.6 cm~(-1).进一步说明通过改变介质折射率、石墨烯费米能级或石墨烯/介质层对数,还能够实现激射波长的宽带调谐.最后说明对于仅由2对石墨烯/介质层组成的回音廊共振腔,最大共振波长和直径比也达到约50倍,相应的激射阈值仅90.74 cm~(-1).该纳米激光器兼备了深度亚波长、低阈值和宽带可调谐等特性,有望在太赫兹集成器件中发挥重要的应用.     

石墨烯微米带THz SPPs的激发及场分布特性研究

表面等离激元可以突破衍射极限,具有强局域性,在传感、起偏、吸收、分束等方面具有广泛的应用前景.目前,太赫兹波段的表面等离激元器件研究大多是在远场光谱方面,其近场特性的研究有待更进一步深入.本文基于石墨烯微米带结构,研究了太赫兹表面等离激元的激发及场分布特性.本文设计了能够通过太赫兹波激发表面等离激元的石墨烯微米带结构,数值计算了其表面等离激元的场分布,并制备了石墨烯微米带器件,利用透射式太赫兹近场显微镜激发并测量了石墨烯微米带的表面等离激元,对共振失谐对等离激元场分布的影响进行了探究.研究结果为石墨烯表面等离激元器件在太赫兹生物传感、安全检测、高数据率通信等方面的应用提供了相关指导.     

氟掺杂氧化锡薄膜电活性缺陷密度的太赫兹谱探测

从理论上分析了电场应力前后氟掺杂氧化锡（FTO）薄膜的能带结构和传导机理,提取了应力前后FTO薄膜的太赫兹电导率。采用Drude模型对应力前的FTO薄膜太赫兹（THz）电导进行了仿真;采用了Hopping模型对应力后的THz电导进行了仿真,实验与仿真结果一致。结果表明,应力后FTO的电导率提高了3个数量级,源于电场作用下的粒子内作用电导和粒子间作用（陷阱辅助隧穿）电导。通过适合的电导仿真模型,可以清楚地区分出陷阱辅助隧穿电导,从而提取FTO薄膜的陷阱密度。研究结果为利用太赫兹光谱提取半导体薄膜缺陷密度提供了一种便捷的新方法。     

基于石墨烯超材料的类电磁诱导透明研究

建立一个基于石墨烯的太赫兹超材料的周期单元结构,利用时域有限差分法进行仿真计算,深入解析石墨烯超材料与太赫兹电磁波相互作用出现的电磁诱导透明现象。分析了TM模式下该结构的电磁诱导透明发生的机理,通过改变结构材料、入射角度、石墨烯条的尺寸,分析反射峰的频点和透明窗口变化。计算结果表明:该结构在5.59 THz处由于共振耦合产生干涉相消,形成一个透明窗口;当石墨烯条的宽度增加时,共振频点发生蓝移,共振强度也明显增强,但透明窗口宽度并没有明显的变化;增加电磁波的入射角度,共振耦合强度减弱,但耦合频点基本无变化,说明该结构产生的电磁诱导透明效应对电磁波入射角不敏感。该研究结果在太赫兹反射器、非线性器件等方面有着潜在的应用价值,给太赫兹超材料器件的设计提供了新的思路。     

利用飞秒激光脉冲整形进行太赫兹波整形

产生太赫兹的一般方法是用超短激光脉冲照射光导天线或半导体材料,产生的太赫兹脉冲形状一般比较复杂.如果要将太赫兹辐射应用于通讯,或者分子反应动力学过程的相关控制,需要能够产生任意形状的太赫兹脉冲.介绍了利用激光脉冲整形对太赫兹波整形的原理和实验研究进展,通过对激发太赫兹辐射的飞秒激光脉冲整形,可以实现对太赫兹波形的控制.控制激励脉冲序列的脉冲间隔可以改变太赫兹脉冲系列的相位关系,调制激光脉冲强度可以产生相应的二进制太赫兹脉冲编码,用周期可变的相位掩模板对飞秒激光脉冲整形实现可调谐窄带太赫兹辐射.     

Terahertz semiconductor-heterostructure laser

Semiconductor devices have become indispensable for generating electromagnetic radiation in everyday applications. Visible and infrared diode lasers are at the core of information technology, and at the other end of the spectrum, microwave and radio-frequency emitters enable wireless communications. But the terahertz region (1-10 THz; 1 THz = 10(12) Hz) between these ranges has remained largely underdeveloped, despite the identification of various possible applications--for example, chemical detection, astronomy and medical imaging. Progress in this area has been hampered by the lack of compact, low-consumption, solid-state terahertz sources. Here we report a monolithic terahertz injection laser that is based on interminiband transitions in the conduction band of a semiconductor (GaAs/AlGaAs) heterostructure. The prototype demonstrated emits a single mode at 4.4 THz, and already shows high output powers of more than 2 mW with low threshold current densities of about a few hundred A cm(-2) up to 50 K. These results are very promising for extending the present laser concept to continuous-wave and high-temperature operation, which would lead to implementation in practical photonic systems.     

太赫兹宽带调频人工电磁媒质研究

新型人工电磁媒质具备自然界材料所不具备的一些电磁响应特性,因而成为当今科学研究的前沿.设计了一种新型温控THz宽带调频人工电磁媒质,在THz波段下其谐振频率能随温度实现连续可调.该人工电磁媒质由一系列金属SRR和置入SRR开口处的半导体InSb材料构成,通过改变温度可实现调频现象,调频范围宽达50％.温度的升高引起半导体材料载流子数目的增加,近而影响InSb的介电性质,从而实现谐振频率的移动.该温控宽带调频人工电磁媒质为太赫兹波段调频设备的实现提供了一定的借鉴意义.     

电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究进展

基于电磁超材料的太赫兹吸收器通过合理设计结构尺寸和材料参数能够实现近完美吸收,因而受到学术界的关注,近几年对太赫兹吸收器的研究发展很快.本文综述了基于电磁超材料的太赫兹吸收器的研究进展,分别从理论、结构和性能对太赫兹吸收器的研究进行了介绍,最后对太赫兹吸收器的未来发展和待解决的问题进行了探讨.     

Active terahertz metamaterial devices

The development of artificially structured electromagnetic materials, termed metamaterials, has led to the realization of phenomena that cannot be obtained with natural materials. This is especially important for the technologically relevant terahertz (1 THz = 10(12) Hz) frequency regime; many materials inherently do not respond to THz radiation, and the tools that are necessary to construct devices operating within this range-sources, lenses, switches, modulators and detectors-largely do not exist. Considerable efforts are underway to fill this 'THz gap' in view of the useful potential applications of THz radiation. Moderate progress has been made in THz generation and detection; THz quantum cascade lasers are a recent example. However, techniques to control and manipulate THz waves are lagging behind. Here we demonstrate an active metamaterial device capable of efficient real-time control and manipulation of THz radiation. The device consists of an array of gold electric resonator elements (the metamaterial) fabricated on a semiconductor substrate. The metamaterial array and substrate together effectively form a Schottky diode, which enables modulation of THz transmission by 50 per cent, an order of magnitude improvement over existing devices.     

全光纤耦合异步光学采样THz-TDS系统

针对传统THz-TDS系统利用机械步进延迟线进行采样扫描的方式获取太赫兹时域谱使得检测信号速度慢等缺点,设计了全光纤耦合快速异步光学扫描THz-TDS系统,该系统利用以锁相环(PLL)和直接频率合成器(DDS)为核心的电子系统精确控制两台飞秒激光器重复频率,使之有较小的固定频差,使两台飞秒激光器的脉冲之间产生周期性呈线性增长的相位延迟,实现了一个脉冲对另一个脉冲的毫秒级快速扫描. 结果表明,该系统对太赫兹脉冲的扫描时间缩短为2ms,实际采样频率可达到1GHz. 有效解决了以往太赫兹光谱检测速度慢、便携性差等问题,从而进一步拓展了太赫兹光谱测量的应用范围.      

Research of the terahertz dual-band notch filter based on FSS structures

In this paper, a dual-band notch filter for two-layer frequency selective surface （FSS） at terahertz （THz） frequency with high fil- tering performance has been realized on high-resistivity silicon substrates. With periodic metallic resonators patterned on the sili- con wafer, the designed filter can provide two tunable resonant frequencies for terahertz application. The transmission response was improved by introducing an extra surrounding pattern around the T-shaped structure, and the location of transmission drop was tuned independently with geometric parameters. Simulated by finite-integral time-domain method, the filter is designed to operate between 0.2 and 0.6 THz with dual-band band-stop performance, a salient feature of this design is making the low sensi- tivity of its frequency response to the incident angles, which allows to place the filter close to the radiation source with spherical wave fronts. The proposed structures were fabricated using photolithography and tested by THz time-domain spectroscopy system Experimental results show that the transmission response has more than 12 and 32 dB rejections near 285 and 460 GHz respectively, which is in good agreement with the simulation result.     

汽油的太赫兹时域光谱特性研究

本文应用太赫兹时域光谱技术研究了不同型号汽油在0.28-2.1THz波段的光学性质,采用快速傅里叶变换得到样品的吸收谱和折射率谱.同时,运用傅里叶变换红外光谱装置测定了样品的中红外吸收谱.比较两种实验结果可知,不同型号汽油在太赫兹波段有明显的峰位位移和相对峰强改变,且吸收谱带展宽,说明样品在太赫兹波段比在中红外波段更具有吸收活性.太赫兹技术可作为中红外等光谱技术的互补手段,研究汽油组成的特性及鉴别其结构的细微变化等.