日本東北大學(xué)電氣通信研究所教授尾辻泰一的研究小組在2012年3月舉行的“第59屆應(yīng)用物理學(xué)相關(guān)聯(lián)合演講會(huì)”上宣布，“已證實(shí)經(jīng)過光激發(fā)后的石墨烯可受激發(fā)射（Stimulated Emission）*太赫茲波”注1）。受激發(fā)射是形成激光振蕩的必要條件。“在此基礎(chǔ)上適當(dāng)組合諧振器，便可形成激光振蕩”（尾辻）。
*受激發(fā)射＝是指在電子等被激發(fā)至高能級(jí)的狀態(tài)下，從外部照射的電磁波會(huì)激發(fā)電子的躍遷，從而放射出與射入的電磁波為相同相位、相同頻率的電磁波的現(xiàn)象。
注1）尾辻研究室于2009年6月宣布“使用石墨烯成功受激發(fā)射出太赫茲波”，此次進(jìn)一步收集了多項(xiàng)證據(jù)，證實(shí)了受激發(fā)射現(xiàn)象。
太赫茲波是指頻率在100G～10THz范圍內(nèi)的電磁波。通過利用太赫茲波，除了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速度為100Gbit/秒的超高速無線數(shù)據(jù)傳輸，以及透視信封鑒定內(nèi)裝藥物的安全用途之外，還有望實(shí)現(xiàn)識(shí)別癌細(xì)胞等醫(yī)療應(yīng)用。瞄準(zhǔn)這些應(yīng)用，業(yè)內(nèi)還積極利用多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)太赫茲波源展開了開展（表1）。
還沒有便于使用的波源
不過，可用于1THz左右的核心頻率區(qū)的太赫茲波源的技術(shù)尚未確立。具體來說，目前還沒有同時(shí)滿足下述4項(xiàng)條件的太赫茲波源。這些條件包括：（1）足夠小的尺寸、（2）輸出功率大、（3）可在室溫下工作，以及（4）可輸出頻率和相位統(tǒng)一的相干波。
雖然通過應(yīng)用光及紅外線技術(shù)開發(fā)出來的波源符合大輸出功率的要求，但裝置尺寸多數(shù)都很大，而且大多為脈沖輸出，因此不適于數(shù)據(jù)發(fā)送等用途。其中，只有量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）為小型裝置，具備一定的輸出功率，并且可形成相干波振蕩，但是只能在200K以下的極低溫度下工作。
另外，以電子技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)而成的高電子遷移率晶體管（HEMT）及共振隧穿二極管（RTD）盡管能夠在室溫下工作，但并不是相干波，而且輸出功率也較小。尾辻研究室還在開發(fā)名為“等離子體共振型太赫茲波發(fā)射器（PRT）”的元件。目前已通過芯片陣列化在實(shí)現(xiàn)數(shù)mW的高輸出功率方面取得了眉目。不過，還不具備相干性。
如果以文章開頭提到的技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)可輸出太赫茲波的石墨烯激光元件的話，便有望開發(fā)出首例可同時(shí)滿足（1）～（4）項(xiàng)條件的波源。
考慮通過注入電流實(shí)現(xiàn)振蕩
考慮通過注入電流實(shí)現(xiàn)振蕩
此次日本東北大學(xué)證實(shí)的是，向石墨烯照射波長(zhǎng)1.55μm的紅外線（IR）后，就會(huì)受激發(fā)射頻率數(shù)THz的太赫茲波的現(xiàn)象（圖1）。
圖1：證實(shí)光激發(fā)后可形成受激發(fā)射
日本東北大學(xué)尾辻研究室證實(shí)的、石墨烯受激發(fā)射出太赫茲波的原理（a），以及評(píng)測(cè)用元件的構(gòu)造（b）。（a）為4能級(jí)系統(tǒng)的受激發(fā)射。（b ）CdTe起非線性光學(xué)結(jié)晶作用。本圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)尾辻研究室的資料制成。
下面來簡(jiǎn)單解釋一下其機(jī)制。在石墨烯內(nèi)部，受到IR照射后被激發(fā)到高能級(jí)的電子會(huì)以熱量等形式逐漸失去能量。不過，由于失去能量的速度會(huì)逐漸變慢，因此載流子會(huì)聚集到電子與正孔再結(jié)合前的狀態(tài)。這樣就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)*狀態(tài)，從而推動(dòng)了受激發(fā)射的形成。
*粒子數(shù)反轉(zhuǎn)＝是指處于高能級(jí)狀態(tài)的粒子數(shù)比處于低能級(jí)狀態(tài)的粒子數(shù)多的狀況。
日本東北大學(xué)的尾辻教授今后計(jì)劃研制通過形成諧振器來形成激光振蕩的元件，以及通過注入電流而非光激發(fā)來形成激光振蕩的元件。電流注入型元件通過電氣性控制石墨烯來實(shí)現(xiàn)p-i-n結(jié)（圖2）。
圖2：以電氣方式實(shí)現(xiàn)p-i-n結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由此形成激光振蕩
日本東北大學(xué)尾辻研究室設(shè)想的電流注入型石墨烯激光元件的構(gòu)造。其思路是：在利用電氣方式實(shí)現(xiàn)p-i-n結(jié)的狀態(tài)下施加漏偏壓（VD），這時(shí)就會(huì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而形成激光振蕩。
尾辻原本以為利用電流注入型而非光激發(fā)型的話會(huì)花費(fèi)時(shí)間，但結(jié)果反而是效率更勝一籌。“光激發(fā)的話會(huì)不可避免地向電子施加過度能量，受激發(fā)射的效率不高，而電流注入容易控制能量，可提高效率”（尾辻）。
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