来自莫斯科物理科学与技术研究所(MIPT)和Valiev物理与技术研究所的俄罗斯研究人员证明了商用石墨烯中太赫兹辐射的共振吸收。这是设计高效太赫兹探测器的重要一步，可实现更快的互联网和X射线人体扫描的安全替代。研究结果发表于Physical Review Applied。

由于Andre Geim和Kostya Novoselov因研究石墨烯独特的电子特性而获得2010年诺贝尔物理学奖，因此对这种材料的兴趣从未减弱。石墨烯是真正的二维：它由一个原子厚的碳层组成，这是其性能如此惊人的原因之一。它很薄但机械强度高，即使对氦原子也是不可渗透的，并且导电和加热非常好。石墨烯中的高电子迁移率使其成为超快光电探测器的有前途的材料，包括那些在太赫兹范围内工作的光电探测器。

太赫兹辐射，也称为T波，同样难以产生和检测。这产生了“太赫兹间隙”的概念，其指的是电磁波谱中大约0.1-10THz的频带。在该范围内没有用于产生和检测辐射的有效装置。尽管如此，T波对人类来说非常重要：它们不会对身体造成伤害，因此可以替代医学扫描中的X射线。此外，T波可以使Wi-Fi更快，并解开一个研究不足的宇宙辐射带，用于天文研究。

尽管石墨烯具有很大的光电探测潜力，但其单层本身仅吸收约2.3%的外部辐射，这对于可靠的探测来说是不够的。解决这个问题的方法是在石墨烯附近强烈定位场，迫使电磁波与石墨烯电子耦合并激发共振。由此产生的电磁场和传导电子的集体波被称为表面等离子体。等离子体共振的相应现象是由于表面等离子体激元波的激发而增强的光吸收。

不幸的是，在用平面波照射的导体的连续片中没有观察到这种现象。与光子相比，等离子体激元波长太短，这就是为什么这两个波很难同步的原因。为了解决这种差异，将金属光栅放置在石墨烯膜上方。它类似于一个牙齿小于一微米的小梳子。

石墨烯：期望与现实

有数十种技术可用于生产石墨烯。它们在最终产品质量和劳动强度方面存在差异。研究人员称赞石墨烯中的高电子迁移率常常淡化了这种材料的制造难度。

最高质量的石墨烯是通过机械去角质生产的。这涉及在两个胶带之间放置一块石墨，然后在多次迭代中撕掉逐渐变薄的层。在某些时候，石墨烯的碎片 - 即单层石墨 - 出现。这种“手工”石墨烯具有应用装置的最佳特性，例如由MIPT，莫斯科国立师范大学和曼彻斯特大学的研究人员创建的基于封装石墨烯的共振T波检测器。不幸的是，通过机械剥离制造的石墨烯薄片只有几微米宽，需要几个月才能生产，并且最终对于串行设备设计来说太昂贵了。

石墨烯合成有一种更容易和可扩展的替代技术，称为化学气相沉积(CVD)。它涉及在特殊的炉子中分解气体 - 通常是甲烷，氢气和氩气的混合物。该过程导致在铜或镍基板上形成石墨烯膜。得到的石墨烯比机械剥离的石墨烯具有更差的特性和更多的缺陷。但CVD目前是最适合扩大设备生产的技术。

俄罗斯物理学家开始测试这种商业级石墨烯是否足以用于太赫兹等离子共振激发，这将使其成为T波探测器的有效材料。

“实际上，CVD生产的石墨烯薄膜不是均匀的。像多晶一样，它由许多合并的晶粒组成。每一个都是一个完全对称的原子图案的有序区域。晶界与缺陷一起使得这种石墨烯远远不够来自简单，“研究合着者和MIPT研究生Elena Titova说。

该团队花了一年多的时间才在研究所共享研究设施中心掌握CVD石墨烯。与此同时，实验室理论部门的同事们确信没有观察到等离子体共振。原因在于共振可见性由所谓的品质因数决定 - 即，在电子遇到晶格缺陷之前场经过了多少个周期。理论估计预测了非常低的Q因子受到CVD石墨烯中频繁的电子缺陷碰撞的限制。也就是说，石墨烯中的高电子迁移率不是由于不频繁的电子碰撞而出现，而是由于电子质量低，这使得它们能够快速加速到高速。

理论与实验

尽管悲观的理论预测，该论文的作者仍决定继续进行实验。他们的决心得到了回报：吸收光谱显示出CVD合成石墨烯中指示等离子体共振的峰。

研究主管，光电子二维材料MIPT实验室负责人Dmitry Svintsov评论说：“问题不是所有的缺陷都是一样的，电子在直流电流测量和太赫兹吸收测量中会遇到不同的缺陷。” “在直流实验中，电子在从一个电触点到另一个电触点的路上不可避免地会遇到晶界。但是当暴露在T波中时，它将主要在单个晶粒内波动，远离其边界。这意味着缺陷损害直流电导率实际上对于T波检测是“安全的”。“

另一个谜团与共振等离子体激发的频率有关，这与先前存在的理论不一致。事实证明，这与金属光栅的几何形状有着意想不到的关系。研究小组发现，当靠近石墨烯时，光栅(图1中用橙色表示)改变了等离子体场的分布。这导致在“梳齿”下的等离子体定位，其边缘充当等离子体的镜子。研究人员根据与固态物理学的紧束缚模型的类比，制定了一个非常简单的理论来描述这一现象。该理论很好地再现了实验数据，无需求助于拟合参数，可用于优化未来的T波探测器。