石墨烯能用于t波探测?t波也将在医学扫描中取代x射线!

时间:2019-09-01 来源:www.benshanmedia.net

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,太赫兹辐射在商业石墨烯中被共振吸收。

这是设计高效太赫兹探测器的重要一步,使互联网更快更安全地取代X射线进行人体扫描,其结果发表在《物理评论应用》中。

由于Andre Geim和Kostya Novoselov因研究石墨烯的独特电子特性而获得诺贝尔物理学奖,因此对这种材料的兴趣从未减弱。石墨烯确实是二维的:它由一层厚度为一个原子的碳组成,这也是其性能如此惊人的原因之一。它很薄,但机械强度高。它不会穿透氦原子,并具有优异的导电性和导热性。石墨烯中电子的高迁移率使其成为超快光电探测器的理想材料,包括工作在太赫兹范围内的探测器,太赫兹辐射,也称为t波,也很难生成和探测。

这产生了“太赫兹间隙”的概念,其指的是电磁波谱中约0.1-10太赫兹的频率范围。在该区域没有用于产生和检测辐射的有效装置。然而,T波对人类非常重要:它们不会伤害身体,因此它们可以替代医学扫描中的X射线。此外,T波可以使Wi-Fi更快,并开辟了一个研究不足的宇宙辐射带,用于天文研究。虽然石墨烯具有很大的光探测潜力,但其单层仅吸收约2.3%的外部辐射,这对于可靠的探测是不够的。

解决该问题的一种方法是将电场强烈地定位在石墨烯附近,迫使电磁波与石墨烯耦合并激发谐振振荡。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激发引起的光吸收增强引起的。不幸的是,在用平面波照射的导体连续片上没有观察到这种现象。等离子体波长短于光子的波长,这就是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。它就像一个小梳子,牙齿之间的距离小于1微米。

有许多生产石墨烯的技术,这些技术在最终产品质量和劳动强度方面不同。研究人员称赞石墨烯的高电子迁移率,但他们经常低估制造这种材料的难度。最高质量的石墨烯是通过机械剥落产生的。这涉及在两个胶带之间放置一片石墨,然后多次迭代剥离较薄的层。在某些时候,出现了石墨烯(即单层石墨)的碎片。这种“手动”石墨烯在应用设备中具有最佳特性,例如基于MIPT的共振t波检测器,莫斯科国立大学和曼彻斯特大学研究人员封装石墨烯。

不幸的是,通过机械剥落产生的石墨烯片仅直径为几微米并且需要几个月的时间来生产,并且对于串行设备设计来说太昂贵。石墨烯合成有一种更简单,更具可扩展性的替代方案,称为化学气相沉积(CVD)。它包括在特殊炉中分解气体。通常是甲烷,氢气和氩气的混合物。该过程导致在铜或镍基底上形成石墨烯膜。由此获得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。俄罗斯物理学家已经开始测试这种商业级石墨烯是否足以激发太赫兹等离子共振,这将使其成为t波探测器的有效材料。实际上,由cvd生产的石墨烯膜不均匀。像多晶体一样,它由许多组合颗粒组成。每个都是一个有序的区域,具有完美对称的原子图案。研究合作者和MIPT研究生Elena Titova表示,晶界和缺陷使得研究石墨烯变得非常容易。

该团队在该研究所的共享研究机构花了一年多的时间研究CVD石墨烯。与此同时,实验室理论部门的同事们确信不会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确定,即,在电子遇到晶格缺陷之前电场已经过了多少个周期。理论上,由于CVD石墨烯中电子缺陷碰撞的频繁发生,Q因子非常低。也就是说,石墨烯中的高电子迁移率不是由于电子的不频繁碰撞,而是由于电子质量低,因此它们可以快速加速到高速。

尽管悲观的理论预测,研究论文的作者决定做这个实验,解决方案得到了回报:在cvd合成的石墨烯中,吸收光谱显示了等离子体共振的峰值。光电子二维材料研究负责人兼MIPT实验室主任Dmitry Svintsov说:问题在于并非所有缺陷都是相同的,而在DC和THz吸收测量中,电子是不同的。缺陷相互碰撞。在DC实验中,电子在从一个电接触到另一个电接触的过程中不可避免地遇到晶界。但是当暴露于T波时,它主要在单个粒子内波动,远离其边界。

这意味着损害直流电导率的缺陷实际上对于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,这与先前的理论不一致。结果发现它与金属光栅的几何形状有着意想不到的关系。当放置在石墨烯附近时,光栅改变等离子场的分布。这导致等离子体在“梳子”下定位,这就像是等离子体激元的镜子。基于与紧密耦合的固体物理模型的类比,描述这种现象的理论非常简单。该理论很好地再现了实验数据,不依赖于拟合参数,可以用于未来t波探测器的优化设计。

博科公园

2019.08.13 12: 53

字数1898

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业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,使互联网更快更安全地替换X射线进行人体扫描,其结果发表在《物理评论应用》上。

由于Andre Geim和Kostya Novoselov因研究石墨烯的独特电子特性而获得诺贝尔物理学奖,因此对这种材料的兴趣从未减弱。石墨烯确实是二维的:它由一层厚度为一个原子的碳组成,这也是其性能如此惊人的原因之一。它很薄,但机械强度高。它不会穿透氦原子,并具有优异的导电性和导热性。石墨烯中电子的高迁移率使其成为超快光电探测器的理想材料,包括工作在太赫兹范围内的探测器,太赫兹辐射,也称为t波,也很难生成和探测。

这产生了“太赫兹间隙”的概念,其指的是电磁波谱中约0.1-10太赫兹的频率范围。在该区域没有用于产生和检测辐射的有效装置。然而,T波对人类非常重要:它们不会伤害身体,因此它们可以替代医学扫描中的X射线。此外,T波可以使Wi-Fi更快,并开辟了一个研究不足的宇宙辐射带,用于天文研究。虽然石墨烯具有很大的光探测潜力,但其单层仅吸收约2.3%的外部辐射,这对于可靠的探测是不够的。

解决该问题的一种方法是将电场强烈地定位在石墨烯附近,迫使电磁波与石墨烯电子耦合并激发共振振荡。产生的电磁场和导电电子的集体波称为表面等离子体。等离子体共振的相应现象是由表面等离子体激元波的激发引起的光吸收的增强。不幸的是,在平面波照射的导体连续体上没有观察到这种现象。等离子体的波长短于光子的波长,这就是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。它就像一把小梳子,牙齿相距不到一微米。

有许多生产石墨烯的技术,这些技术在最终产品质量和劳动强度方面不同。研究人员称赞石墨烯的高电子迁移率,但他们经常低估制造这种材料的难度。最高质量的石墨烯是通过机械剥落产生的。这涉及在两个胶带之间放置一片石墨,然后多次迭代剥离较薄的层。在某些时候,出现了石墨烯(即单层石墨)的碎片。这种“手动”石墨烯在应用设备中具有最佳特性,例如基于MIPT的共振t波检测器,莫斯科国立大学和曼彻斯特大学研究人员封装石墨烯。

不幸的是,通过机械剥落产生的石墨烯片仅直径为几微米并且需要几个月的时间来生产,并且对于串行设备设计来说太昂贵。石墨烯合成有一种更简单,更具可扩展性的替代方案,称为化学气相沉积(CVD)。它包括在特殊炉中分解气体。通常是甲烷,氢气和氩气的混合物。该过程导致在铜或镍基底上形成石墨烯膜。由此获得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。俄罗斯物理学家已经开始测试这种商业级石墨烯是否足以激发太赫兹等离子共振,这将使其成为t波探测器的有效材料。实际上,由cvd生产的石墨烯膜不均匀。像多晶体一样,它由许多组合颗粒组成。每个都是一个有序的区域,具有完美对称的原子图案。研究合作者和MIPT研究生Elena Titova表示,晶界和缺陷使得研究石墨烯变得非常容易。

该团队在该研究所的共享研究机构花了一年多的时间研究CVD石墨烯。与此同时,实验室理论部门的同事们确信不会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确定,即,在电子遇到晶格缺陷之前电场已经过了多少个周期。理论上,由于CVD石墨烯中电子缺陷碰撞的频繁发生,Q因子非常低。也就是说,石墨烯中的高电子迁移率不是由于电子的不频繁碰撞,而是由于电子质量低,因此它们可以快速加速到高速。

尽管悲观的理论预测,研究论文的作者决定做这个实验,解决方案得到了回报:在cvd合成的石墨烯中,吸收光谱显示了等离子体共振的峰值。光电子二维材料研究负责人兼MIPT实验室主任Dmitry Svintsov说:问题在于并非所有缺陷都是相同的,而在DC和THz吸收测量中,电子是不同的。缺陷相互碰撞。在DC实验中,电子在从一个电接触到另一个电接触的过程中不可避免地遇到晶界。但是当暴露于T波时,它主要在单个粒子内波动,远离其边界。

这意味着损害直流电导率的缺陷实际上对于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,这与先前的理论不一致。结果发现它与金属光栅的几何形状有着意想不到的关系。当放置在石墨烯附近时,光栅改变等离子场的分布。这导致等离子体在“梳子”下定位,这就像是等离子体激元的镜子。基于与紧密耦合的固体物理模型的类比,描述这种现象的理论非常简单。该理论很好地再现了实验数据,不依赖于拟合参数,可以用于未来t波探测器的优化设计。

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业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,使互联网更快更安全地替换X射线进行人体扫描,其结果发表在《物理评论应用》上。

由于Andre Geim和Kostya Novoselov因研究石墨烯独特的电子特性而获得诺贝尔物理学奖,因此对这种材料的兴趣从未减弱。石墨烯确实是二维的:它由一层只有一个原子厚度的碳组成,这也是其性能如此惊人的原因之一。它非常薄,但它具有高机械强度,甚至不受氦原子的影响,并具有非常好的导电性和导热性。石墨烯中的高电子迁移率使其成为超快光电探测器的理想材料,包括在太赫兹范围内工作的探测器。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,其指的是电磁频谱中约0.1-10太赫兹的频带。在该范围内没有用于产生和检测辐射的有效装置。然而,T波对人类非常重要:它们不会伤害身体,因此可以在医学扫描中更换X射线。此外,T波可以使Wi-Fi更快,并为天文研究开辟一个研究不足的宇宙辐射带。虽然石墨烯具有很强的光检测潜力,但其单层仅吸收约2.3%的外部辐射,这对于可靠的检测是不够的。

解决该问题的一种方法是将电场强烈地定位在石墨烯附近,迫使电磁波与石墨烯耦合并激发谐振振荡。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激发引起的光吸收增强引起的。不幸的是,在用平面波照射的导体连续片上没有观察到这种现象。等离子体波长短于光子的波长,这就是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。它就像一个小梳子,牙齿之间的距离小于1微米。

有许多生产石墨烯的技术,这些技术在最终产品质量和劳动强度方面不同。研究人员称赞石墨烯的高电子迁移率,但他们经常低估制造这种材料的难度。最高质量的石墨烯是通过机械剥落产生的。这涉及在两个胶带之间放置一片石墨,然后多次迭代剥离较薄的层。在某些时候,出现了石墨烯(即单层石墨)的碎片。这种“手动”石墨烯在应用设备中具有最佳特性,例如基于MIPT的共振t波检测器,莫斯科国立大学和曼彻斯特大学研究人员封装石墨烯。

不幸的是,通过机械剥落产生的石墨烯片仅直径为几微米并且需要几个月的时间来生产,并且对于串行设备设计来说太昂贵。石墨烯合成有一种更简单,更具可扩展性的替代方案,称为化学气相沉积(CVD)。它包括在特殊炉中分解气体。通常是甲烷,氢气和氩气的混合物。该过程导致在铜或镍基底上形成石墨烯膜。由此获得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。俄罗斯物理学家已经开始测试这种商业级石墨烯是否足以激发太赫兹等离子共振,这将使其成为T波探测器的有效材料。事实上,通过CVD生产的石墨烯膜不均匀。像多晶体一样,它由许多合并的粒子组成。每个都是一个有序的区域,具有完美对称的原子图案。研究合着者和MIPT研究生Elena Titova表示,晶界和缺陷使得研究石墨烯变得非常容易。

该团队在该研究所的共享研究设施中心花了一年多的时间来掌握CVD石墨烯。与此同时,实验室理论部门的同事们确信不会观察到等离子体共振。原因在于共振可见性由所谓的质量因子决定,即,在电子遇到晶格缺陷之前电场经过多少个周期。理论上估计,由于CVD石墨烯中频繁的电子缺陷碰撞,Q因子非常低。也就是说,石墨烯中的高电子迁移率不是由于电子的不频繁碰撞,而是由于低质量的电子,这使得它们能够快速加速到高速。

尽管悲观的理论预测,研究论文的作者决定做这个实验,并且解决方案得到了回报:在cvd合成的石墨烯中,吸收光谱显示出等离子共振峰。光电子二维材料MIPT实验室研究和主任Dmitry Svintsov说:问题在于并非所有缺陷都是相同的。在DC和THz吸收测量中,电子与不同的缺陷碰撞。在DC实验中,电子在从一个电接触点移动到另一个电接触点的过程中不可避免地遇到晶界。然而,当暴露于t波时,它主要在单个粒子中波动,远离其边界。

这意味着损害直流电导率的缺陷实际上对于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,这与先前的理论不一致。结果发现它与金属光栅的几何形状有着意想不到的关系。当放置在石墨烯附近时,光栅改变等离子场的分布。这导致等离子体在“梳子”下定位,这就像是等离子体激元的镜子。基于与紧密耦合的固体物理模型的类比,描述这种现象的理论非常简单。该理论很好地再现了实验数据,不依赖于拟合参数,可以用于未来t波探测器的优化设计。

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