石墨烯与太赫兹科学

石墨烯（Graphene）是材料科学和物理科学领域一颗冉冉升起的新星.作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料,石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质.例如,石墨烯的禁带宽度和有效质量为零,其电子和空穴的运动方式与相对论性粒子相同.另外,石墨烯拥有已知材料中最高的迁移率,且其迁移率基本与温度无关.石墨烯具有众多的新颖物理现象和应用潜能,其中在太赫兹科学上的应用前景尤其广阔.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.文章重点地介绍了石墨烯的     

基于石墨烯的太赫兹器件研究进展

石墨烯是一种零带隙二维的半导体材料, 具有极高的载流子迁移率, 优异的机械、电学、热学和光学等性能. 在太赫兹辐射源、调制器和探测器件的研究中, 石墨烯材料具有独特的优势. 本文以石墨烯材料在太赫兹辐射源、调制器以及探测器等器件方面的应用为主, 综述了石墨烯太赫兹器件的最新研究进展.     

石墨烯太赫兹波动态调制的研究进展

石墨烯是一种有着独特电学和光学性质的二维材料,近年来在太赫兹波动态调制的研究中有着广泛的应用。本文主要对基于石墨烯的太赫兹波动态调制器件进行了综述,分析了电调制、光调制和光电混合调制3种调制方法的原理和优缺点,介绍了近几年来将石墨烯应用于太赫兹波动态调制所取得的一系列科研成果,着重对不同器件的调制性能进行了对比,分析了优势和不足。石墨烯可调超材料为实现更快速、高效的太赫兹调制器件提供了新的思路。     

基于石墨烯的可调谐太赫兹光子晶体结构

本文将石墨烯引入到常规光子晶体中构建一种新型光子晶体, 首次从理论上严格导出了决定其能带结构的色散关系, 由于色散关系中石墨烯电导率的存在导致了它具有与常规光子晶体有所不同的特殊光学性质, 我们发现, 随着费米能增大, 低频段能带迅速向高频移动, 而高频段能带移动缓慢, 导致了常规光子晶体没有的能带压缩现象的发生, 究其原因在于石墨烯在低频段电导率迅速变化, 而高频段电导率变化缓慢, 导致能带向高频压缩, 使得光波原先允许频率变成禁止传播, 而禁止频率变成允许传播.     

基于石墨烯的光学控制窄带太赫兹开关

本文提出了一种光控太赫兹开关,该开关采用覆盖单层石墨烯的十字金属谐振器超表面。利用石墨烯表面电导率模型和有限元法计算了这种复合结构的光谱特性。模拟结果表明,在0.2 W/mm²的光泵浦后,传输谱（调制深度为36.8%,Q-因子为250）出现了窄带共振衰减现象。另外,这种衰减的调制深度可以通过改变泵浦强度微调节。因此,光学可调谐太赫兹开关的设计将有助于太赫兹通信应用的功能组件开发。     

太赫兹波段石墨烯等离子体的增益特性

基于麦克斯韦方程组和物质本构方程对石墨烯表面等离子体进行了研究.从理论上探索了石墨烯表面等离子体激元在太赫兹波段的增益特性曲线,并且讨论了石墨烯表面等离子体增益与石墨烯中载流子浓度、石墨烯所处温度以及载流子动量弛豫时间的关系.研究结果表明:在太赫兹波段增益峰值随着石墨烯载流子浓度的增加而发生蓝移,并且在所讨论的温度范围内,由于增益峰所对应的频率都大于1 THz,因此温度的变化对增益峰值以及相应频率的影响不大,即在不同的温度下,相同载流子浓度所对应的增益曲线上峰值的位置和强度几乎相同;增益与石墨烯载流子动量弛豫时间相关,随着载流子动量弛豫时间的增加,使得激发态激励的电子增加,从而导致石墨烯表面等离子体增益变得更大,但这种动量弛豫时间的增加却因弛豫时间对受激辐射频率影响较小而并未对增益峰值位置产生影响.     

太赫兹科学与技术研究回顾

太赫兹光谱系统利用远红外辐射获得分子的某些光谱信息，这些信息在电磁谱的其他波段中是很难得到的．材料的研究是现代太赫兹系统中的重要的组成部分，一方面因为新的、大功率的太赫兹光源极大地依赖于如量子级联结构一类的新材料；另一方面，太赫兹的光谱和成像技术也为扩展诸如半导体和生物有机分子等材料的应用提供了一个有力的工具．     

掺杂石墨烯系统电场调控的非线性太赫兹光学特性研究

石墨烯是单原子厚的二维狄拉克相对论费米子系统,其优秀的光电学性质得到了广泛的关注和研究. 本论文利用量子理论研究掺杂石墨烯系统外电场和光场共同作用下的非平衡载流子的非线性太赫兹光学性质. 研究发现,掺杂石墨烯带内光吸收表现出强的非线性太赫兹光学特性. 随着外加偏压电场的增大,石墨烯非线性光学响应增强;随着外界太赫兹光频率的减小,非线特性增强. 研究表明通过改变电场强度,可以有效调节石墨烯系统太赫兹非线性光学特性. 研究结果为探索和发展以石墨烯为基础的新型纳米太赫兹光电器件的研究和实际应用提供了理论依据. 关键词： 石墨烯 太赫兹 非线性 光电流     

基于石墨烯的太赫兹波散射可调谐超表面

设计了一个可调谐的太赫兹超表面,由在随机反射超表面基底中嵌入可偏置的双层石墨烯构成,可以实现对太赫兹波散射特性的动态调控.全波仿真试验结果证实了所预期的超表面散射可调性能.通过增大偏置电压提升石墨烯的费米能级,使得该超表面的太赫兹波散射样式从漫反射逐渐向镜面反射过渡,从而实现散射特性的连续调控,且该超表面具有对电磁波极化角度不敏感的特点.这些特性使得该超表面能很好地融合到变化的环境中,在太赫兹隐身方面具有潜在的应用价值.     

基于石墨烯的太赫兹漫反射表面快速设计方法

漫反射电磁表面能够提高目标被探测的难度,实现电磁消隐的功能.太赫兹漫反射电磁表面有望在下一代雷达与通信场景中作为一种智能隐身蒙皮使用,具有广阔的应用前景.本文利用石墨烯在太赫兹频段优异的电磁可调特性,并基于谐振模式的开关机理设计了一种反射场具有反相位的石墨烯/金属协同单元结构,且相位的切换由偏置电压动态控制.另一方面,...     

Graphene nanoribbon based terahertz antenna on polyimide substrate

Graphene nano ribbon based terahertz patch antenna on polyimide substrate is designed and its radiation characteristics are investigated in the 725–775 GHz band. The terahertz communication system consists of higher data rate transmission, low transmit power with secured wireless communication. The proposed antenna consists of graphene nano ribbon as radiating patch and also the ground plane separated by a 20 μm thin polyimide substrate. The antenna has achieved the broad impedance bandwidth (>5%) in the band of operation. The design has yielded a peak gain of 5.71dB at 750 GHz. The antenna is simulated by using the finite element method based simulator Ansys - HFSS.     

Graphene and metal hybridized terahertz metasurfaces toward tunable plasmon-induced transparency effects

Tunable metasurfaces have attracted much attention recently, owing to their capability of actively controlling electromagnetic waves. Here, we propose tunable graphene-metal hybridized terahertz (THz) metasurfaces exhibiting plasmon induced transparency (PIT) effects, driven alternately by metal and graphene resonators. The proposed meta-molecule comprises a central metal (graphene) strip placed orthogonally to two side graphene (metal) strips. Then, near-field coupling between the strips is probed by translating the central strip along the length of the side strips and the evolution of the PIT effect is investigated for orthogonal polarizations of probing THz. The coupled oscillator-based analytical model explains the coupling mechanism in these metasystems. We observe the strongest coupling and the most prominent PIT effect for edge-to-edge coupling (threshold position) between the central and side strips. Further, active PIT response is achieved by altering graphene's Fermi energy. These metasurfaces can contribute in designing compact and active metasurface-based hybrid devices for THz domain.     

Graphene field effect transistor-based terahertz modulator with small operating voltage and low insertion loss

In this work,we report a broadband terahertz wave modulator based on a top-gate graphene field effect transistor with polyimide as the gate dielectric on a PET substrate. The transmission of the terahertz wave is modulated by controlling the Fermi level of graphene via the polyimide as the top-gate dielectric material instead of the traditional dielectric materials. It is found that the terahertz modulator can achieve a modulation depth of ~20.9% with a small operating gate voltage of 3.5 V and a low insertion loss of 2.1 dB.     

Rapid-phase modulation of terahertz radiation for high-speed terahertz imaging and spectroscopy

Rapid voltage-controlled phase modulation of cw terahertz (THz) radiation is demonstrated. By transmitting an infrared beam through a lithium niobate phase modulator the phase of the THz radiation, which is generated by the photomixing of two infrared beams, can be directly modulated through a 2pi phase shift. The 100 kHz modulation rate that is demonstrated with this technique is approximately 3 orders of magnitude faster than what can be achieved by mechanical scanning.     

可调太赫兹与光学超材料

本文对可调太赫兹与光学超材料的研究进展进行了综述,并对其发展趋势和应用前景进行了展望。可以预见,可调超材料将继续成为超材料研究中的热点课题,并将成为引领光学器件和光学系统变革的潜在技术途径,对光学和太赫兹技术的发展将产生深远的影响。     

Wireless terahertz light transmission based on digitally-modulated terahertz quantum-cascade laser

A wireless terahertz digital transmission link is demonstrated, in which a quantum-cascade laser and a spectrally-matched quantum-well photodetector serve as the emitter and receiver, respectively. An on-off modulation scheme is used. By directly amplitude modulating the laser emitting at 4.13 THz, a 1.0-Mbps pseudorandom signal is transmitted over a distance of 2.2 m.