近日，中国科学院上海技术物理研究所，红外物理国家重点实验室陆卫、陈效双课题组成员王林副研究员（青促会会员）、“百人计划”陈刚研究员等人，利用石墨烯材料集成天线配对接触电极结构，提出无序热电子操控机理实现室温下太赫兹波段的高灵敏探测，响应率可达200V/W以上。相关成果以Towards sensitive terahertz detection via thermoelectric manipulation using graphene transistors 为题发表在期刊《自然-亚洲材料》（NPG AsiaMaterials, IF~9.157）上，DOI: 10.1038/s41427-018-0032-7。

电磁频谱中，太赫兹辐射是指频率在0.1 THz到10 THz范围的电磁波，波长范围是0.03 mm~3mm的范围，所对应的能量范围为0. 414～41.4 meV，跨越从无线电子学到光子学的过渡区域，为多种生物化学分子的特征频率带，在天文、遥感、生物医学等领域具有重要的应用前景。受限于现有的源和探测技术，太赫兹频谱的利用仍然面临着挑战，经常被描述为最后一部分未完全开发的光谱区域。近几年来，新型固态太赫兹技术成为各国争相发展的重要目标，在太赫兹安检、雷达以及无损检测等领域取得了较大的进展，然而在探测频率、集成度方面仍缺少相关材料器件基础。最早在2012年，意大利研究者AlessandroTredicucci就提出了基于石墨烯二维材料等离子体波探测器，而石墨烯自身零禁带限制电磁波对石墨烯载流子的调控以及器件的整体性能。当太赫兹光子入射到石墨烯材料表面，石墨烯材料对太赫兹呈现出高吸收态，其表面电子呈现出相应的无序高动能态，而这一部分能量往往难以转化成有用的信号被支撑衬底、电极等以热的形式耗散。

为此，该工作面向解决石墨烯热电子的无耗散电流转化，设计了天线配对的叉指电极接触结构一方面形成太赫兹近场的不对称分布，另一方面形成有效电极偏压下在无需结构修饰的石墨烯沟道产生高的开关比，诱导器件沟道中非平衡热载流子不对称的扩散，使得无序热电子高效转换成太赫兹光电流信号。该热电子效应可通过以下式子全面描述： 

方程表明，光电流可通过非零的Seebeck系数下温度梯度或局域Seebeck系数的差异而产生的。而在实验中，沟道中石墨烯的掺杂分布基本是均匀的，光电流产生来源于沟道中不对称的太赫兹耦合场所引起的温度梯度，而不是来自于塞贝克系数的差异。在结构中，热载流子的温度可上升至10 K ~60 K范围，热载流子从热端向冷端的方向扩散，在没有电压偏置的的情况下，可无耗散形成电流。且该光电流随着偏置电压呈线性增长超过一个数量级，表明了热电子诱导下器件沟道载流子浓度发生变化并形成电流增益。虽然太赫兹光不能直接通过带间跃迁来激发电子-空穴引起载流子浓度变化，但可以由热电子调控诱导出电荷转移而产生。该工作说明了通过转化无序热电子可实现良好的太赫兹探测性能，并为集成化太赫兹探测器件开发的提供了良好基础。

该工作中博士生刘昌龙为该论文的第一作者，王林（青促会会员），陈刚研究员，陈效双研究员作为论文的共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划专项基金、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等经费资助。