文 献 综 述
- 选题背景
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，2004年由英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫在实验室中利用胶带剥离石墨的方法首次制得。
石墨烯具有优异的电、光、热和机械性能。石墨烯的等离子振荡、可外部控制的导电率及可人为调谐的禁带宽度都与太赫兹科学息息相关。由于其特殊的零带隙能带结构和载流子弛豫特性，在光激发下石墨烯实现粒子数反转后的带间载流子跃迁复合产生的电磁波恰好处于太赫兹波段，这使石墨烯具有能够产生和放大太赫兹波的特性[1]。
太赫兹波是波长介于0.03mm～3mm ，频率介于0.1～10THz之间的电磁波，处在毫米波段和红外波段之间，是从微电子学到光子学的过渡区域。由于产生方法和探测技术的缺乏，有关这一波段的研究长期以来存在空白。在20世纪80年代之后，随着半导体微电子技术、飞秒技术及光学非线性等相关技术的发展，获得太赫兹辐射的方法得到了极大的丰富，基于这一波段的研究才得以快速发展。根据产生太赫兹波的机制不同，太赫兹辐射源一般分为半导体辐射源、光子学辐射源和自由电子辐射源。
太赫兹技术可广泛应用于光学耦合、电子输运、遥感、雷达、数据通信与传输、国土安全与反恐、大气与环境监测、医学诊断等领域，但是目前太赫兹源功率较低成为了制约其应用的重要因素。石墨烯的出现，特别是石墨烯在太赫兹领域的诸多特性，为实现高效、微型、大功率的新型太赫兹辐射源提供了新的方法和方向[2]。
因此，开展对石墨烯的太赫兹特性开展研究，研究石墨烯的太赫兹辐射源设计具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景，这也是本次毕业设计的目标。
- 国内外石墨烯太赫兹源的研究情况
美国康奈尔大学Farhan Rana提出并分析了基于石墨烯的等离子体受激辐射放大的太赫兹振荡器设计。Farhan提出了石墨烯中等离子体传输和放大的传输线模型，并得到了考虑到由于带内散射引起的等离子体损失以及由于外部耦合造成的损耗的振荡条件。等离子体传输线的特征阻抗与外部阻抗之比在确定振荡的阈值条件中起重要作用。较大的等离子体增益可以实现尺寸在1-10微米范围内的小型集成太赫兹振荡器[6]。
更多的学者则是关注于石墨烯在太赫兹激光器的应用的可能性上。许多国外学者对石墨烯的粒子数反转、非线性光学响应等特性进行了研究。
日本Akira Satou等人使用基于准古典波尔兹曼方程的模型，在载流子-载流子散射占主导地位的极限情况下，在脉冲激励下研究石墨烯。他们证明了在这种限定条件下，由于通过带内光学声子发射的能量松弛与通过带间光学声子发射的重组之间的不平衡，可以在足够强的泵浦强度下实现粒子数反转[7]。
澳大利亚伍伦贡大学Yee Sin Ang和Chao Zhang证明双层石墨烯在太赫兹频率范围内表现出强烈的非线性光学响应。如图1所示，双层石墨烯低能量分散，呈现三方向翘曲效应；箭头表示线性和非线性光学过程。
图1
经理论计算和仿真，Yee Sin Ang和Chao Zhang发现在适中电场下，太赫兹区域双层石墨烯中的非线性光学响应是最强的。这表明双层石墨烯中的层间耦合不会降低非线性光学响应。反而，层间耦合强烈地增强了双层石墨烯中的光学非线性，并产生了额外的温度鲁棒性。这表明双层石墨烯可能成为非线性太赫兹光子器件成功开发的关键材料[8]。
国际上，Falkovsky等分析了石墨烯在费米能级附近的几电子伏特区域内的电导率随频率、温度、波矢的变化，计算了掺杂和无掺杂石墨烯的霍尔电导率和迁移率与温度、磁场和载流子浓度的关系；Wang等利用超快光抽运探测光谱，研究了外延生长在碳化硅基和镍基上的石墨烯层中热光学声子的弛豫变化，建立了带速率方程的耦合载流子声子系统的弛豫动态模型，证明了实验数据与理论结果的一致；V·Ya·Aleshkin等人考虑一种基于光泵浦单层和双层石墨烯作为活性介质的太赫兹激光器，并提出了波导结构，利用所开发的模型，计算了光泵浦石墨烯层和双层膜的带间跃迁和带内跃迁的动态电导率的光谱相关性，估算了激光所需的泵浦光功率[9]；Ryzhii等研究了光抽运情况下石墨烯电导率负动态的实现机理，理论证明了利用石墨烯作为激活物质产生太赫兹辐射的可行性。
山东科技大学张玉萍等人对石墨烯的负动态电导率和石墨烯层数的关系进行了深入研究。张玉萍等人首先建立了光抽运单层和多层石墨烯中二维电子-空穴系统的非平衡模型，研究了电子和空穴的能量谱的特征及其决定动态电导率的过程。通过计算单层和多层石墨烯在光激发下伴随光学声子级联发射的动态电导率，证明了在足够强的光抽运下，石墨烯的粒子数反转可以引起在太赫兹频段内的负的动态电导率，这使基于石墨烯的太赫兹放大或受激辐射源成为可能。同时还模拟了石墨烯的负动态电导率与动量弛豫时间、温度、层数等的关系，结果表明，多层结构的动态电导率最小值的绝对值更大，多层石墨烯作为太赫兹激光器的激活介质更具优势。在此基础上，提出了具有分离门的多层石墨烯结构，建立了电诱导n-i-p结的理论模型，计算了多层石墨烯结构中每层石墨烯的费米能级，给出了电抽运多层石墨烯动态电导率的理论计算公式[3,4]。
日本东京大学的T.Otsuji等人利用基于THz-TDS系统和基于光泵浦的太赫兹光学探针技术来对光照石墨烯过程进行载流子弛豫和复合机制的研究，进而分析它产生太赫兹波的原理及可行性。
外延生长在SiC介质上的石墨烯被放置于Si基底上，厚度d=0.12mm，晶向为lt;100gt;的CdTe晶体作为太赫兹波探针的发射和光电传感器件平行于石墨烯表面放置，如图2所示。图3所示为光泵浦石墨烯产生太赫兹原理图，由图中可知在太赫兹探针的诱发下，当泵浦光照射时经过光学声子的级联辐射过程后石墨烯材料能够产生相干太赫兹[10]。
图2
图3
参考文献
[1]韩鹏昱,刘伟,谢亚红,张希成.石墨烯与太赫兹科学[J].物理,2009,38(06) :395-400.
[2]谭天波.基于石墨烯的太赫兹辐射理论及方法研究[D].天津理工大学,2016
[3]张玉萍,张晓,刘陵玉,张洪艳,高营,徐世林,张会云.光抽运石墨烯太赫兹负动态电导率的理论研究[J].中国激光,2012,39(01):206-212.
[4]张玉萍,张洪艳,尹贻恒,刘陵玉,张晓,高营,张会云.具有分离门的电抽运多层石墨烯负动态电导率的理论研究[J].物理学报,2012,61(04):458-463.
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