山东大学晶体材料国家重点实验室陶绪堂、王善朋教授团队InfoMat：基于二维材料光子结构在太赫兹调制领域的研究进展

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2021年6月30日，科睿唯安(Clarivate)正式发布2021年科技期刊引证报告(Journal Citation Reports)，InfoMat获得首个影响因子--25.405！

温馨提醒：自2022年1月1日起将正式收取APC（Article Processing Charge）费用。

太赫兹波(THz wave)是指频率在0.1-10 THz，介于微波与红外频段之间的高频电磁波。随着THz技术在通讯、安检、传感、医学诊断等领域迅速发展，迫切需要高效太赫兹调制器实现太赫兹波的振幅、相位、偏振、频率等电磁波特性的有效调控。太赫兹调制器件是通过外加激励信号（如力、热、磁、声、光和电等）来改变材料的本征性能（包括折射率和吸收系数等），从而实现对太赫兹透射或者反射的调控。近年来，基于不同调制材料和调制机理，研究人员设计开发了多种THz调制器，其中的材料体系如半导体、光子晶体、超材料等，调制机理如电、光、光电、热、磁调制等。随着二维材料的迅猛发展，由于其独特的光电子特性，二维材料在高效、柔性、低损耗THz调制领域引起了研究者广泛关注。

最近，山东大学晶体材料国家重点实验室的陶绪堂教授、王善朋教授团队基于二维材料的THz调制器，综述了基于二维材料的光子结构在THz调制领域的研究进展和应用挑战。本文首先概述了典型二维材料的基本结构与光电性能，包括石墨烯、二维过渡金属硫化物、黑磷等。然后，总结了太赫兹调制的基本原理以及衡量调制器的性能指标，基于二维材料光子结构的THz调制器的不同工作原理，将THz调制器分为光、电、磁、力学调制器等，并重点介绍了应用最广泛的光学调制和电学调制器件。针对不同THz调制器光子结构（异质结结构、超材料结构、表面等离激元结构、电容器结构、光学腔结构、波导集成结构），主要从调制器的结构特点和设计策略方面，系统总结了二维材料在THz调制领域的进展。最后，基于THz调制研究领域目前的挑战性，通过对比总结目前报道的基于二维材料的THz调制器，展望了THz调制器未来的研究方向和发展前景。

该工作InfoMat上以题为“Recent Progress in THz Modulation using Photonic Structures Based on 2D Materials”在线发表（DOI: 10.1002/inf2.12236）。

我们摘取了文章里的几部分重点给大家做个介绍：

1. THz调制器工作原理

太赫兹调制器件主要是通过外加激励信号（如力、热、磁、声、光和电等）来改变材料的本征性能（折射率和吸收系数等），调控太赫兹透射或反射，实现THz振幅、相位、偏振方向、频率等电磁波特性的有效调控。根据不同的激励源，THz调制器分为光学、电学、磁学、力学调制器等，其中电学调制和光学调制是研究最为广泛的THz调制机理。电学和光学调制是通过外界电、光等改变材料的载流子密度，从而改变其折射率的实部和虚部，实现THz振幅、相位调制。

图1 THz调制器的电学和光学调制原理示意图

2. 基于二维材料的光子结构THz调制器

相比于半导体块状材料，二维材料原子级厚度使其光吸收能力较弱，限制了其太赫兹调制性能。研究者采取了很多策略来优化调制器的性能，包括：异质结、超材料、等离激元THz调制器。构建二维材料和半导体材料(硅或者锗)组成的异质结构，以提高全光太赫兹调制器调制深度；金属等离激元光耦合结构增强二维材料的光吸收能力；二维材料等离激元纳米图案化，可以极大地增强太赫兹频率下的等离激元耦合效应。此外，其它器件结构设计，如电容器结构、光学腔结构、波导集成等也被应用于太赫兹调制领域。

2.1  异质结THz调制器

当二维材料与三维半导体材料（比如，硅或者锗）通过范德瓦尔斯相互作用时，光生载流子可以通过界面在二维材料与三维材料之间进行传递。利用二维/三维异质结结构提高太赫兹调制性能是一种简单并且有效的方法。迄今为止，各种二维/三维异质结结构，如石墨烯/硅、过渡金属硫族化合物/硅等已经被应用于主动控制的太赫兹波调制器件中。

图2 基于二维材料的异质结结构的THz调制器

2.2  超材料THz调制器

超材料的亚波长周期性结构使得其中的光生载流子可以与入射电磁波相互耦合，通过形成的局域电场增强、表面谐振等特殊性质，可以实现对太赫兹波振幅、相位以及偏振等性质的调制。二维材料与金属形成的超材料结构，已成为太赫兹调制领域研究热点。

图3 基于二维超材料THz调制器

2.3 等离激元结构THz调制器

利用二维材料设计等离激元纳米图案，可以直接以等离子体的方式增强光与物质的相互作用。基于石墨烯的等离激元效应，研究者设计出石墨烯阵列、石墨烯环、石墨烯纳米盘等石墨烯基超材料等离激元结构，为利用石墨烯等离激元实现太赫兹调制提供了新的思路。

图4 基于二维材料离激元纳米图案的THz调制器

2.4 电容器结构THz调制器

电容器结构可以有效的增加器件界面的电荷密度，有利于实现高效THz调制。利用多层石墨烯极板之间构成电容器结构，离子液作为介电层，通过外加电压实现大量的电荷累积，离子液体和石墨烯中的载流子均聚集于石墨烯与离子液的界面，通过调控载流子实现对THz的调制。基于石墨烯的电容器结构THz调制器，为THz调制器设计及太赫兹成像提供了可行的设计策略。

图5 基于二维材料的电容器结构的THz调制器

2.5 光学腔结构THz调制器

利用特定的光学腔结构，可以增强THz波与石墨烯之间的相互作用。当光学腔结构外加电压时，石墨烯费米能级调控作用获得进一步的增强，从而实现对通过平行的反射层构成的光学腔后的太赫兹高效调制。设计和制作不同的光学腔结构，可以实现对于调制器件性能优化。

图6 基于二维材料的光学腔结构

3. 总结与展望

最后总结了目前太赫兹调制器工作进展，存在的相关问题及解决策略。在此基础上，对太赫兹调制器的结构设计策略、性能优化、及相关应用前景进行展望。

图7 基于二维材料THz调制器的工作原理和器件结构

作者介绍

陶绪堂教授：现任山东大学讲席教授，博士生导师，长江学者，国家杰青，作为学术带头人获2007年基金委创新研究群体基金并获得两次延续资助。曾任山东大学晶体材料研究所所长，晶体材料国家重点实验室主任 （2004-2019）。兼任中国硅酸盐学会理事，中国晶体学会理事，中国硅酸盐学会晶体生长专业委员会副主任，中国物理学会固体缺陷专业委员会副主任，第六、七届教育部科学技术委员会交叉学部委员。长年致力于晶体材料研究，提倡从体块晶体到微纳米晶体，从材料、器件到产业化应用的多维度、全链条研究理念。发表学术论文400余篇，研究成果曾被美国的Chem. & Eng. News, 英国的Chemistry & Industry, 美国化学会, “ Nature Asia” 等报道。连续七年（2014-2020）入选爱思唯尔中国高被引学者（Most Cited Chinese Researchers）榜单。曾获教育部科学技术进步一等奖、山东省科学技术进步一等奖、日本材料学会优秀报告奖。获2015年、2016年度教育部自然科学二等奖。

王善朋教授：山东大学教授，博士生导师，齐鲁青年学者。主要研究兴趣包括红外非线性光学晶体的生长与性能研究、新型无机光电功能材料的固相合成与性能研究、新型二维材料与性能研究及高分辨THz时域光谱。近年来，主持国家自然科学基金面上、山东省自然科学基金面上、教育部联合基金、国家重点实验室课题等10余项，作为学术骨干参与国家重大基础项目等。在Chem. Mater.，Adv. Opt. Mater.，J. Mater. Chem. C，Cryst. Growth Des.，Phys. Rev. B，Opt. Lett.，Opt. Express等国际期刊发表SCI论文50余篇，授权发明专利10项，制定国家标准1项，行业标准1项。

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