创新技术:石墨烯薄片作为超快速的计时表

12bet备用网址官网2017年2月21日讯  Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) 的科学家与来自美国和德国的同事们合作开发了一种新的石墨烯光学探测器,它对各种不同波长的入射光的反应都非常迅速,甚至在室温下也能工作。这是首次单个检测器监测的频谱范围能够从可见光延伸到红外辐射并一直到兆赫兹辐射。HZDR的科学家们已经开始将新的石墨烯探测器用于激光系统的精确同步。 科学家发现石墨烯薄片可以作为超快速的计时表,用于激光器的精准同步。

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创新技术:石墨烯薄片作为超快速的计时表

检测器上的外部天线捕捉长波红外线和兆赫兹辐射,并将其传递到位于该结构中心的石墨烯薄片(图片来源:M. Mittendorff)

碳化硅石墨烯基体上伸出外观上比较前卫的天线,这就是新的石墨烯检测器。之前再没有类似系统的单探测器,这种相对简单且廉价的结构可以监测巨大的光谱范围,从可见光一直到兆赫兹辐射。 “与其它半导体对照,像硅或砷化镓,石墨烯具有很宽的光吸收峰,并将光子能量转换成电信号。我们只需要一个宽波段天线和合适的衬底来创造理想的条件”, HZDR研究所,束物理与材料科学院的物理学家Stephan Winnerl博士解释道。

早在2013年,Martin Mittendorff还在HZDR做博士研究生的时候,发现了石墨烯探测器。现在,他在马里兰大学做博士后,他与德累斯顿的同事和来自马尔堡,里根斯堡和达姆施塔特的科学家一起完善了它。工作原理:石墨烯片和天线组件吸收光线,在石墨烯中将光子的能量传递给电子。这些“热电子”增加检测器的电阻,因而产生快速的电信号。该探测器可以在短短40皮秒内记录入射光——这是十亿分之一秒。

通过碳化硅衬底实现宽光谱

基材的选择,现在已被证明是改善小光陷阱的关键环节。Stephan Winnerl 解释说“过去使用的半导体基板只吸收特定波长范围内的光,但碳化硅在该光谱范围内并不吸收光子。” 然后还有一个天线,它的作用就像一个捕捉长波红外和兆赫兹辐射的漏斗。

因此,科学家们能够将光谱范围提高到前代模型90倍,使得检测的最短波长比最长的小1,000倍。通过比较,红光,它是人眼可见的最长的波长,仅仅只是肉眼可见光谱中最短波长紫外光波长的两倍。

这种通用型光学检测器已经在HZDR被用于使ELBE中心的两台大功率自由电子激光辐射源与其他激光器保持精准同步。这种校准对于“激发-探测”实验是特别重要的,就如同它的名字,其12bet首页究员采取一个激光器激发一种材料(“激发”),然后使用第二个具有不同波长的激光器测量(“探测”)。

对于这样的实验激光脉冲必须被精确地同步。因此,科学家们使用石墨烯探测器作为秒表。当激光脉冲达到它们的目标时它会显示出来,同时大带宽有助于防止检测器成为错误的潜在来源。另一个优点是,所有的测量都可以在室温下进行,避免其它检测器需要的昂贵且费时的氮气或氦气冷却的过程。

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