Uppmätta absorptions-/förstärkningsspektra för enhetens svar på terahertz-pulsvågstrålningen. Terahertz-vågspulsen sänds ut samtidigt som dräneringsspänningen för prototypens grafentransistor ökade. Absorptionsegenskaper (frekvensspektrum) för grafentransistorn, i förhållande till den infallande pulsvågen, erhölls från tidssvarsvågformen för den sända pulsvågen. När dräneringsspänningen är över ett visst tröskelvärde, en amplifieringsegenskap (en negativ absorption) med den maximala förstärkningen på 0,09 (9%) erhölls. Kredit:Tohoku University
Tohoku University Professor Taiichi Otsuji har lett ett team av internationella forskare i att framgångsrikt demonstrera en rumstemperatur koherent förstärkning av terahertz (THz) strålning i grafen, elektriskt driven av ett torrcellsbatteri.
För ungefär 40 år sedan, ankomsten av plasmavågselektronik öppnade en mängd nya möjligheter. Forskare var fascinerade av möjligheten att plasmavågor kunde fortplanta sig snabbare än elektroner, föreslår att så kallade "plasmoniska" enheter skulle kunna fungera vid THz-frekvenser. Dock, experimentella försök att realisera sådana förstärkare eller sändare förblev svårfångade.
"Vår studie utforskade THz-ljus-plasmonkoppling, ljusabsorption, och förstärkning med ett grafenbaserat system på grund av dess utmärkta elektriska och optiska egenskaper vid rumstemperatur, " sa professor Otsuji som är baserad på Ultra-Broadband Signal Processing Laboratory vid Tohoku Universitys forskningsinstitut för elektrisk kommunikation (RIEC).
Forskargruppen, som bestod av medlemmar från japanska, franska, polska och ryska institutioner, designade en serie monolager-grafenkanaltransistorstrukturer. Dessa innehöll en original dubbelinsamlingsport som fungerade som en mycket effektiv antenn för att koppla ihop THz-strålning och grafenplasmoner.
En scanningselektronmikroskopisk bild ovanifrån av en tillverkad grafentransistorstruktur under mätning. Den har den unika transistorelektrodstrukturen som kallas "dubbelgitterport, " där två uppsättningar grindelektroder som har en kamliknande gitterform förbereds och arrangeras på ett interdigitalt sätt. Kredit:Tohoku University
Genom att använda dessa enheter kunde forskarna demonstrera avstämbar resonant plasmonabsorption som, med en ökning av strömmen, resulterar i THz-strålningsförstärkning. Förstärkningsvinsten på upp till 9% observerades i monolagergrafen - långt bortom den välkända landmärkenivån på 2,3% som är den maximala tillgängliga när fotoner direkt interagerar med elektroner utan excitation av grafenplasmoner.
För att tolka resultaten, forskargruppen använde en dissipativ plasmonisk kristallmodell, fånga de viktigaste trenderna och grundläggande fysik för amplifieringsfenomenen. Specifikt, modellen förutsäger ökningen av kanallikströmmen som driver systemet in i en förstärkning. Detta indikerar att plasmavågorna kan överföra likströmsenergin till de inkommande THz elektromagnetiska vågorna på ett koherent sätt.
"Eftersom alla resultat erhölls vid rumstemperatur, våra experimentella resultat banar väg för ytterligare THz-plasmonisk teknologi med en ny generation av helelektroniska, resonans, och spänningsstyrda THz-förstärkare, " tillade professor Otsuji.
