来自莫斯科物理与技术研究所(MIPT)和Valiev物理与技术研究所的俄罗斯研究人员已经证明，在商用石墨烯中存在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，并安全取代x射线用于身体的扫描，其研究结果发表在《物理评论应用》上。
石墨烯光电
自从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以来，人们对这种材料的兴趣从未减弱过。石墨烯确实是二维的：它由一层只有一个原子那么厚的碳层组成，这也是其性能如此惊人的原因之一。它很薄，但机械强度很高，甚至对氦原子都不渗透，而且导电和导热性能非常好。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，包括在太赫兹范围内工作的探测器，THz辐射，也称为t波，同样难以产生和探测。
这就产生了“太赫兹间隙”的概念，“太赫兹间隙”指的是电磁频谱中大约0.1-10太赫兹的频段。在这一范围内没有有效的产生和探测辐射的装置。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取代x射线。此外，t波可以使Wi-Fi更快，并为天文研究打开一个研究不足的宇宙辐射波段。尽管石墨烯具有很大的光检测潜力，但其单层仅吸收约2.3%的外部辐射，不足以进行可靠的检测。
解决这一问题的一种方法是对石墨烯附近电场进行强定位，迫使电磁波与石墨烯电子耦合，激发共振振荡。由此产生的电磁场和传导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于表面等离子体波的激发而引起光吸收增强。不幸的是，这种现象在用平面波照明的导体连续片上没有观察到。等离子体波长比光子的波长短，这就是为什么这两种波很难同步的原因。为了解决这种差异，在石墨烯薄膜上方放置了一个金属光栅。它像一个小梳子，齿之间的距离不到一微米。
石墨烯的期望与现实
生产石墨烯有几十种技术，它们在最终产品质量和劳动强度方面有所不同。研究人员赞扬石墨烯具有高的电子迁移率，但他们往往对这种材料的制造难度轻描淡写。最优质的石墨烯是通过机械剥落生产。这包括在两个粘胶带之间放置一片石墨，然后在多次迭代中剥离越来越薄的层。在某一时刻，石墨烯的碎片（即单层石墨）出现了。这种“手工”石墨烯在应用设备上具有最佳特性，比如基于MIPT、莫斯科国立师范大学和曼彻斯特大学研究人员制造的封装石墨烯的共振t波探测器。
不幸的是，机械剥落法生产的石墨烯薄片直径只有几微米，需要几个月的时间才能生产出来，而且对于串行设备设计来说，成本太高。有一种更简单、可扩展的石墨烯合成替代技术，称为化学气相沉积(CVD)。它包括在一个特殊的熔炉中分解气体——通常是甲烷、氢气和氩的混合物。该过程导致石墨烯薄膜在铜或镍基板上形成。由此得到的石墨烯比机械剥落的石墨烯具有更差的特性和更多缺陷。
但CVD目前是最适合扩大设备生产的技术，俄罗斯物理学家开始测试这种商业级石墨烯是否足以激发太赫兹等离子体共振，这将使它成为t波探测器的有效材料。事实上，cvd生产的石墨烯薄膜并不均匀。像多晶体一样，它由许多合并的颗粒组成。每一个都是一个有序区域，具有完全对称的原子图案。研究合作者、MIPT研究生Elena Titova说：晶界和缺陷使得研究这种石墨烯远非易事。
该团队花了一年多时间，在该研究所的共享研究设施中心掌握了CVD石墨烯的工作。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。原因是共振可见性是由所谓的质量因子决定，也就是说，在电子遇到晶格缺陷之前，电场经过了多少周期。理论估计，由于CVD石墨烯中经常发生电子缺陷碰撞，Q因子非常低。也就是石墨烯中的高电子迁移率不是由于电子碰撞不频繁，而是由于电子质量低，从而使它们能够快速加速到高速。
理论和实验
尽管有悲观的理论预测，研究论文的作者还是决定做这个实验，解决得到了回报：在cvd合成的石墨烯中，吸收光谱显示出等离子体共振的峰。研究主管、光电子二维材料MIPT实验室的负责人德米特里·斯文索夫(Dmitry Svintsov)说：问题是，并非所有的缺陷都相同，在直流测量和THz吸收测量中，电子会与不同的缺陷发生碰撞。在直流实验中，电子在从一个电接触点到另一个电接触点的过程中，不可避免地会遇到晶界。但当暴露在t波下时，它大多会在单个颗粒内波动，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，这与先前已有的理论不一致。结果发现，它与金属光栅几何形状有着意想不到的关系。当放置在石墨烯附近时，光栅会改变等离子体场的分布。这就导致了等离子体在“梳齿”下的定位，梳齿边缘就像等离子体激元的镜子。基于与固体物理的紧密结合模型类比，建立了一个描述这一现象非常简单的理论。该理论在不依赖拟合参数的情况下，较好地再现了实验数据，可用于未来t波探测器的优化设计。
