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将石墨烯导入激光元件，日本东北大学证实可受激发射 |
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| http://cn.newmaker.com
4/3/2012 5:42:00 PM
日经BP社
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日本东北大学电气通信研究所教授尾辻泰一的研究小组在2012年3月举行的“第59届应用物理学相关联合演讲会”上宣布，“已证实经过光激发后的石墨烯可受激发射（Stimulated Emission）*太赫兹波”注1）。受激发射是形成激光振荡的必要条件。“在此基础上适当组合谐振器，便可形成激光振荡”（尾辻）。
*受激发射＝是指在电子等被激发至高能级的状态下，从外部照射的电磁波会激发电子的跃迁，从而放射出与射入的电磁波为相同相位、相同频率的电磁波的现象。
注1）尾辻研究室于2009年6月宣布“使用石墨烯成功受激发射出太赫兹波”，此次进一步收集了多项证据，证实了受激发射现象。
太赫兹波是指频率在100G～10THz范围内的电磁波。通过利用太赫兹波，除了能够实现数据传输速度为100Gbit/秒的超高速无线数据传输，以及透视信封鉴定内装药物的安全用途之外，还有望实现识别癌细胞等医疗应用。瞄准这些应用，业内还积极利用多项关键技术对太赫兹波源展开了开展（表1）。 
还没有便于使用的波源
不过，可用于1THz左右的核心频率区的太赫兹波源的技术尚未确立。具体来说，目前还没有同时满足下述4项条件的太赫兹波源。这些条件包括：（1）足够小的尺寸、（2）输出功率大、（3）可在室温下工作，以及（4）可输出频率和相位统一的相干波。
虽然通过应用光及红外线技术开发出来的波源符合大输出功率的要求，但装置尺寸多数都很大，而且大多为脉冲输出，因此不适于数据发送等用途。其中，只有量子级联激光器（QCL）为小型装置，具备一定的输出功率，并且可形成相干波振荡，但是只能在200K以下的极低温度下工作。
另外，以电子技术为基础开发而成的高电子迁移率晶体管（HEMT）及共振隧穿二极管（RTD）尽管能够在室温下工作，但并不是相干波，而且输出功率也较小。尾辻研究室还在开发名为“等离子体共振型太赫兹波发射器（PRT）”的元件。目前已通过芯片阵列化在实现数mW的高输出功率方面取得了眉目。不过，还不具备相干性。
如果以文章开头提到的技术为基础，实现可输出太赫兹波的石墨烯激光元件的话，便有望开发出首例可同时满足（1）～（4）项条件的波源。
考虑通过注入电流实现振荡
考虑通过注入电流实现振荡
此次日本东北大学证实的是，向石墨烯照射波长1.55μm的红外线（IR）后，就会受激发射频率数THz的太赫兹波的现象（图1）。
图1：证实光激发后可形成受激发射
日本东北大学尾辻研究室证实的、石墨烯受激发射出太赫兹波的原理（a），以及评测用元件的构造（b）。（a）为4能级系统的受激发射。（b ）CdTe起非线性光学结晶作用。本图由《日经电子》根据尾辻研究室的资料制成。
下面来简单解释一下其机制。在石墨烯内部，受到IR照射后被激发到高能级的电子会以热量等形式逐渐失去能量。不过，由于失去能量的速度会逐渐变慢，因此载流子会聚集到电子与正孔再结合前的状态。这样就形成了粒子数反转*状态，从而推动了受激发射的形成。
*粒子数反转＝是指处于高能级状态的粒子数比处于低能级状态的粒子数多的状况。
日本东北大学的尾辻教授今后计划研制通过形成谐振器来形成激光振荡的元件，以及通过注入电流而非光激发来形成激光振荡的元件。电流注入型元件通过电气性控制石墨烯来实现p-i-n结（图2）。
图2：以电气方式实现p-i-n结和粒子数反转，由此形成激光振荡
日本东北大学尾辻研究室设想的电流注入型石墨烯激光元件的构造。其思路是：在利用电气方式实现p-i-n结的状态下施加漏偏压（VD），这时就会发生粒子数反转状态，从而形成激光振荡。
尾辻原本以为利用电流注入型而非光激发型的话会花费时间，但结果反而是效率更胜一筹。“光激发的话会不可避免地向电子施加过度能量，受激发射的效率不高，而电流注入容易控制能量，可提高效率”（尾辻）。（记者：野泽哲生，《日经电子》）
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