栅压调控的石墨烯宽带太赫兹波主动减反射器件及其应用

Antireflection technology has important application prospects in terahertz (THz) stealth technology, THz communication technology and spectral measurement. However, active antireflection devices are still lack in this region. Graphene, which has a natural quasi two-dimensional structure, presents excellent tunable carrier properties and shows a great potential to be used in THz active antireflection devices as impedance matching layers. In this project, we intend to design and fabricate graphene based active antireflection devices with the voltage gating technology, in which the THz conductivity of graphene can be tuned continuously. The changes of the gate voltage dependent THz wave reflection and impedance matching condition will be studied with the help of THz time-domain spectroscopy, with variable THz wave frequency bands, incident angles, and environmental conditions. Scientific physical model will be built to elucidate the regulation mechanisms for the impedance matching process. Furthermore, the regulation rules of the THz spectra radiated from the THz sources such as ZnTe and GaAs will be studied with using the antireflection devices, and the mechanisms for the spectral optimization process will be uncovered accordingly. Relevant results from this project can afford a better understanding to the basic physical process of the THz wave impedance matching, and will promote the development of the antireflection technology from passive to active. The output from this project could also provide supports to the broadband active antireflection application with graphene in THz region.

太赫兹波减反射技术在太赫兹通讯、反雷达隐身、太赫兹光谱等领域具有重要的应用前景。然而具有主动调控功能的减反射器件十分匮乏。石墨烯具有天然的二维结构和优异的可调载流子特性，有望基于阻抗匹配原理，实现主动减反射的重要应用。在前期工作的基础上，本项目拟采用栅压调控技术，设计科学有效的石墨烯减反射器件结构，实现对石墨烯太赫兹电导关键参数的主动、连续调控。利用太赫兹时域光谱技术，研究减反射器件对反射太赫兹波的调控规律与阻抗匹配条件，构建物理模型，揭示减反射机理，并探讨其在宽频带、多角度、复杂环境等条件下的应用。同时，利用太赫兹波产生与探测技术，研究减反射器件对ZnTe、GaAs晶体太赫兹波源输出光谱的调控规律，揭示其提高光谱分辨率的优化机理。本项目的研究有望推动太赫兹波减反射技术由被动向主动发展，深化对石墨烯阻抗匹配物理机理的认识，为构建新型太赫兹器件提供依据。

太赫兹技术在通讯、雷达、光谱等领域具有广泛且重要的应用前景。石墨烯具有优异的光电特性，有望在太赫兹波段实现阻抗匹配等重要应用。本项目以石墨烯为主，研究了多种材料在太赫兹波段的传输调控特性、太赫兹发射特性及光电特性，主要包括以下内容：1、基于光调控的石墨烯太赫兹波特性与应用，包括实现了基于石墨烯/高阻硅异质结的太赫兹波主动减反射器件等；2、栅压调控石墨烯太赫兹器件的设计与制作；3、石墨烯等材料在飞秒脉冲激发下的太赫兹波发射现象，及引起太赫兹波发射的光牵引效应、光致电流shift current效应机理研究；4、石墨烯等多种二维材料的制备及光电特性与应用研究；5、二维材料光电特性的第一性原理研究。在本基金的支持下，项目团队共发表标注论文19篇，含SCI论文17篇，其中包括一区论文5篇，二区论文8篇，三区论文4篇，EI论文1篇；申请中国发明专利1项，授权专利1项；培养研究生共6名；本项目参与申报并获得广西省科学技术奖自然科学奖二等奖，项目负责人排名第三。在本项目支持下，我们首次提出并实现了基于光调控的石墨烯太赫兹波减反射，为石墨烯在太赫兹通讯、雷达等领域的阻抗匹配应用提供了重要依据；我们设计的栅控石墨烯太赫兹器件可以实现对太赫兹波的灵敏调控，有望应用到太赫兹调制领域；虽然没有观察到石墨烯对传统太赫兹发射晶体ZnTe、GaAs等的明显促进作用，但是我们发现了石墨烯在超快激发下的太赫兹波发射现象并对机理进行了阐明；以此为基础，还进一步发现了碳纳米管阵列和钙钛矿材料的太赫兹发射现象，为该领域研究开拓了一个新的方向；最后，我们还研究了石墨烯等多种二维材料的制备及光电特性，并结合第一性原理进行研究，为其在光电领域的应用提供了重要的参考。