[论文解读] Sensitive Room-Temperature Terahertz Detection via Photothermoelectric Effect in Graphene

Xinghan Cai, Andrei Sushkov+11 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2013

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种基于石墨烯光热电效应的高灵敏度、室温太赫兹探测器。通过利用太赫兹辐射诱导的电子温度梯度以及设计的接触不对称性，该器件实现了超过700 V/W的响应度和低于20 pW/Hz^1/2的噪声等效功率，优于大多数室温太赫兹探测器，同时响应速度提升了八个数量级以上。

ABSTRACT

Terahertz (THz) radiation has uses from security to medicine; however, sensitive room-temperature detection of THz is notoriously difficult. The hot-electron photothermoelectric effect in graphene is a promising detection mechanism: photoexcited carriers rapidly thermalize due to strong electron-electron interactions, but lose energy to the lattice more slowly. The electron temperature gradient drives electron diffusion, and asymmetry due to local gating or dissimilar contact metals produces a net current via the thermoelectric effect. Here we demonstrate a graphene thermoelectric THz photodetector with sensitivity exceeding 10 V/W (700 V/W) at room temperature and noise equivalent power less than 1100 pW/Hz^1/2 (20 pW/Hz^1/2), referenced to the incident (absorbed) power. This implies a performance which is competitive with the best room-temperature THz detectors for an optimally coupled device, while time-resolved measurements indicate that our graphene detector is eight to nine orders of magnitude faster than those. A simple model of the response, including contact asymmetries (resistance, work function and Fermi-energy pinning) reproduces the qualitative features of the data, and indicates that orders-of-magnitude sensitivity improvements are possible.

研究动机与目标

• 开发一种高灵敏度、高速度的室温太赫兹探测器，克服现有热电和体效应探测器的局限性。
• 利用石墨烯独特的电子特性，特别是强电子-电子相互作用和缓慢的电子-晶格能量传递，实现高效的光热电转换。
• 在无需低温冷却的条件下，实现高响应度和低噪声等效功率。
• 探究接触不对称性（功函数、电阻、费米能级钉扎）在产生净热电电流中的作用。
• 建立理论模型以解释实验响应并预测进一步提升灵敏度的路径。

提出的方法

• 器件采用双栅石墨烯场效应晶体管结构，结合不对称金属接触（Pd 和 Ti/Au），在太赫兹照射下产生热电电压。
• 石墨烯中的光激发载流子通过强电子-电子相互作用快速热化，形成瞬态电子温度梯度。
• 电子温度梯度驱动扩散电流，该电流在功函数、电阻和费米能级钉扎的接触不对称性作用下被整流为净直流电流。
• 在室温下，通过调制太赫兹辐射并使用锁相放大器测量光热电响应。
• 建立一个结合接触不对称性和热弛豫动力学的理论模型，以解释观测到的响应并预测性能扩展。
• 通过响应度（V/W）和噪声等效功率（NEP，单位为pW/Hz^1/2）量化灵敏度，参考吸收功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯中的光热电效应能否实现高灵敏度、室温太赫兹探测？
• RQ2 接触不对称性（功函数、电阻、费米能级钉扎）如何影响热电电流的大小和方向？
• RQ3 基于石墨烯的光热电太赫兹探测器的本征带宽和响应速度如何？
• RQ4 通过器件工程和优化，响应度和NEP还能在多大程度上得到改善？
• RQ5 简单模型能否准确描述实验响应并预测性能极限？

主要发现

• 当以入射功率为参考时，器件响应度超过10 V/W（最高达700 V/W）；当以吸收功率为参考时，低于1100 pW/Hz^1/2。
• 以吸收功率为参考时，噪声等效功率（NEP）测量值低于20 pW/Hz^1/2，表明其具有极高的灵敏度。
• 时间分辨测量显示，探测器响应速度比传统室温太赫兹探测器快八到九个数量级。
• 实验响应可通过包含接触不对称性（电阻、功函数、费米能级钉扎）的模型良好复现。
• 该模型预测，通过优化器件几何结构和接触设计，灵敏度还可实现数量级的进一步提升。
• 结果表明，石墨烯中强电子-电子相互作用和缓慢的电子-晶格耦合是实现高性能室温太赫兹探测的关键因素。