片上太赫兹时域光谱系统：超短石墨烯等离子体波包的生成与操控

作者：宾泽川

背景介绍

在太赫兹和中红外频段，随着半导体等离子体技术的迅速发展，石墨烯等离子体极化激元展现出了卓越的光束束缚能力，并通过调控载流子密度实现了高可控性和低损耗特性。近年来，基于石墨烯等离子体激元的电路已被广泛提出，应用于经典与量子信息的传输和处理。这类电路依赖静电门控，具备传统金属等离子体电路难以实现的主动控制功能。尽管石墨烯等离子体的基础特性已通过远场光谱学和近场扫描光学显微镜等光学技术得到了深入研究，但是这些方法主要局限于测量局部等离子体共振的吸收或驻波现象，尚不足以实现对等离子体电路的直接操作与控制。

因此，亟需寻找能够有效生成、动态调控等离子体信号，并在芯片上实现幅度与相位测量的技术。Yoshioka等人将片上太赫兹时域光谱技术与嵌入石墨烯的共面波导和顶栅结构相结合，通过欧姆接触注入电脉冲，解决了光激发固有的动量不匹配问题，实现了电脉冲向等离子体波包的高效转换，转换效率达到35%，为石墨烯等离子体电路的设计和实现奠定了坚实基础。

片上太赫兹时域光谱装置

图1 器件结构示意图

本文采用将石墨烯晶体管集成到共面波导（CPW）中的结构设计，如图1所示。通过欧姆接触，太赫兹电脉冲有效地转换为石墨烯等离子极化激元，转换效率高达35%。这一技术使研究人员能够在石墨烯微带上直接生成并控制等离子体波包，成功克服了传统光学激发中存在的动量失配问题，从而使波包传输的时空分辨率达到了皮秒级别。

石墨烯等离子体激元的生成与传输

本文设计了不同的栅极结构，以生成并操控石墨烯等离子体波包。通过电学激发，电脉冲被转化为持续时间仅为1.2ps的等离子体波包，且三维空间束缚体积达到了2.1×10-18 m3。这一技术突破了传统光学方法的限制，实现了在芯片上生成并操控石墨烯等离子体。

图2 在氧化锌栅器件中未屏蔽等离子体激元的传输

本文首先研究了未屏蔽石墨烯等离子体波包在氧化锌栅极器件中的传输特性，如图2a、b 所示，其中石墨烯微带线：宽8um、长23um。图2d显示了太赫兹电脉冲的时域波形与氧化锌栅极电压（VZnO = -3~3V，载流子密度 n = -6.2 × 1011~7.9 × 1011cm-2）之间的函数关系。图2e结果表明，通过改变氧化锌栅极电压，可以调节石墨烯中的载流子密度，进而影响等离子体的传播速度。随着载流子密度的增加，等离子体波包的速度加快，脉宽变窄。此外如图e所示，实验测得的波包速度与模拟值相近，并且对载流子的变化不敏感。本文认为这一现象是由于石墨烯微带线中形成了波导模式所导致的，并通过改变微带线宽度进行了验证。

声学石墨烯等离子体激元的生成与传输

除了氧化锌栅极器件，本文还研究了石墨烯等离子体在金顶栅器件中的传输特性，如图3a、b所示。通过Au栅极的屏蔽效应，声学等离子体的传播速度显著减慢，展示出与未屏蔽等离子体不同的特性。

图3 金栅器件中声学等离子体激元的传输

图3展示了声学等离子体的传播情况。在Au栅极的屏蔽作用下，声学等离子体的传播速度降至1.9×106m/s，远低于未屏蔽等离子体。此外，通过调节金栅极电压，本文精确控制了声学等离子体波包的传播速度和脉冲宽度。这表明，声学等离子体的传播不仅依赖于载流子密度，还与石墨烯和金属栅极之间的屏蔽效应密切相关。在高掺杂情况下，声学等离子体的传播距离达到了21um。

超短波包的相干和非相干传输

如图3e所示，当载流子密度n小于2×1011cm-2时，测量的速度偏离了理论计算。为了分析造成这一现象的原因，本文基于RLC分布常数电路分析了声学等离子体在金顶栅器件中的传输特性。如图4a所示，由于金顶栅引起的屏蔽效应，声学等离子体的传播速度显著低于未屏蔽情况下的速度，并呈现线性色散关系。另外，通过在金顶栅和欧姆接触区之间添加氧化锌顶栅调节载流子密度，本文优化了石墨烯中的声学等离子体与电脉冲的阻抗匹配。在高掺杂区域下，测得的脉冲持续时间为1.2ps，传播速度为3.3 × 106m/s，且波包在2.1 × 10-18m³体积内被限制，显示出优异的空间约束特性。

随着载流子密度降低，脉冲宽度增加至20 ps，这表明在临界载流子密度（CNP）附近，声学等离子体经历了从相干传输向非相干扩散传输的过渡。通过仿真求解电报方程，本文成功再现了实验波形，如图4a所示。这表明在高掺杂区域内，声学等离子体以相干方式传播，而在CNP附近则通过非相干扩散输运产生了更宽的脉冲。

图4 实验波形与理论波形的对比

石墨烯等离子体极化激元激发的转换效率

本研究的一大突破是通过电学方式激发石墨烯等离子体波包，显著提高了转换效率，克服了光激励的某些局限性，如动量不匹配和石墨烯较低的非线性系数。该方法使未屏蔽等离子体的转换效率高达35%，声学等离子体的转换效率则达到3%。

图5 石墨烯等离子体极化激元的转换效率

实验结果显示，在图5a中，将未屏蔽和声学等离子体波包的时域波形与输入电脉冲相比较，可以发现透射率（输出与输入脉冲的峰值幅度比）主要受三个过程的影响：输入电脉冲转化为石墨烯等离子体波包、波包在石墨烯中的衰减以及波包转化为输出电脉冲。其中透射率提供了能量转换效率的下限，η = (Iplasmon/Iinput)²。当载流子密度高时，未屏蔽等离子体的η可超过0.35，而声学等离子体的η最大为0.03，均高于光激励下等离子体的转换效率（η = 6 × 10⁻⁵）。这种高转换效率的关键在于，电脉冲与等离子体波包之间的转换没有动量不匹配造成的能量损失。

此时的阻抗不匹配成为限制设备性能的主要因素。在金顶栅器件中，电脉冲速度与声学等离子体速度之间的差异较大，导致显著的阻抗不匹配。而在氧化锌栅器件中，由于等离子体速度较高且透明氧化锌的存在，阻抗不匹配较小，从而提高了转换效率。

总结

通过太赫兹电子学技术，本文成功地在片上实现了超短石墨烯等离子体波包的生成、操控和检测。这一技术突破不仅克服了传统光学激发中的动量失配问题，还在转换效率和传播特性研究上取得了显著进展。特别是在氧化锌栅极器件中，未屏蔽等离子体波包展现出了极高的速度和相干性，而在金栅极器件中，声学等离子体则表现出良好的传输特性。这种基于太赫兹电子学的技术为石墨烯等离子体纳米电路的设计提供了一个高效的解决方案，不仅提高了电路的时空分辨率，还为未来芯片集成带来了新的可能性。

参考文献

[1] YOSHIOKA K, BERNARD G, WAKAMURA T, 等. On-chip transfer of ultrashort graphene plasmon wave packets using terahertz electronics[J/OL]. Nature Electronics, 2024, 7(7): 537-544. DOI:10.1038/s41928-024-01197-x.