【双语资讯】通过新原理石墨烯晶体管成功检测出高速且高灵敏度太赫兹波～下一代6G&7G超高速无线通信的实现迎来新曙光～

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摘要：单层碳原子片状结构的石墨烯具有电子的有效质量为零的独特物理特性，是一种可以实现传统技术难以实现的、在室温下运行的高速响应且高灵敏度的太赫兹波检测元件的材料，因此备受关注。日本东北大学电气通信研究所的佐藤昭准教授等人以石墨烯为通道，形成仅有电子发挥作用的单极型、并且所有电极都使用同一类型金属的简单晶体管元件结构，也能够进行检测操作，并首次成功探测出高速且高灵敏度的太赫兹波，将成为实现下一代6G&7G超高速无线通信的突破口。

关键字：6G&7G、无线通信、太赫兹波、石墨烯、双极型/单极型

研究要点

·使用单层碳原子片状结构的石墨烯，成功检测出在室温下具有高速响应和高灵敏度的太赫兹波^注１。

·发现了一种新的检测原理，即使在所有电极均由单一类型的金属形成的最简单的石墨烯晶体管结构中，也能实现高速和高灵敏度检测。

·有望为实现6G、7G^注2级下一代超高速太赫兹无线通信做出贡献。

单层碳原子片状结构的石墨烯具有电子的有效质量^注3为零的独特物理特性，是一种可以实现传统技术难以实现的、在室温下运行的高速响应且高灵敏度的太赫兹波检测元件的材料，因此备受关注。

炭素原子の単原子層材料であるグラフェンは、電子の有効質量^注３がゼロなどの特異な物性を有することから、従来の技術では困難な室温で動作する高速応答かつ高感度なテラヘルツ波検出素子を実現する材料として注目されています。

日本东北大学电气通信研究所的佐藤昭准教授等人组成的研究小组使用石墨烯，成功检测出在室温下运行的高速响应且高灵敏度的太赫兹波。作为太赫兹波的高速、高灵敏度检测元件，已知有“光热检测元件”，其利用由于吸收电磁波而发热的电子和空穴的空间扩散产生的电动势效应，但其是复杂的双极型^注4，电子和空穴都发挥作用，并且除非检测元件的两个电极使用不同的材料，否则不会产生电动势，因此很难同时实现高性能、量产和低成本。

東北大学電気通信研究所の佐藤昭准教授らと理化学研究所光量子工学研究センターの南出泰亜チームリーダーらの研究グループは、グラフェンを使って、室温で動作する高速応答かつ高感度なテラヘルツ波の検出に成功しました。テラヘルツ波の高速・高感度な検出素子として、電磁波吸収で発熱した電子・正孔の空間拡散で生じる起電圧効果を利用する「光電熱型検出素子」が知られていますが、電子・正孔の両方が寄与する複雑なバイポーラ型注４でかつ検出素子の２つの電極に異種材料を用いなければ起電圧が生じず、高性能化と量産化・低コスト化の両立が極めて困難でした。

研究小组发现了一个新原理，以石墨烯为通道，形成仅有电子发挥作用的单极型^注４、并且所有电极都使用同一类型金属的简单晶体管元件结构，也能够进行检测操作，并首次成功探测出高速且高灵敏度的太赫兹波。这是一项划时代的成就，将成为实现下一代6G&7G超高速无线通信的突破口。

研究グループは、グラフェンをチャネルとする電子のみが関与するユニポーラ型注４で、かつ全ての電極に同一種の金属を用いる単純なトランジスタ素子構造でも検出動作可能な、新たな原理を見い出し、高速・高感度なテラヘルツ波検出に初めて成功しました。次世代6G＆7G超高速無線通信実現のブレークスルーとなる画期的な成果です。

这一成果于2022年12月2日作为专题文章^*在线发表在美国物理研究所（American Institute of Physics）所发行的开放获取国际学术论文杂志《APL Photonics》上。

*经编委会评价为具有特别高的学术意义和影响的论文

图1 展示元件结构的俯视图以及元件表面的电子显微镜图像

用语说明

注1.太赫兹波

太赫兹是每秒振动10¹²次（1万亿次）的频率，单位：THz。太赫兹波是位于电波和光波之间的波长介于约10微米（频率为30太赫兹）和11毫米（频率为300吉赫兹）之间的电磁波。

注2.6G、7G

继当前5G之后的下一代无线通信标准，目标是实现比5G快10～100倍的通信速度，世界各国正在进行研发。由于5G中使用的微波和毫米波的数据容量有限，因此人们希望利用具有更高频率的太赫兹波。

注3.电子的有效质量

相对于真空中自由电子的（静止）质量，在固体中观察到的不同于真空中的表观质量。

注4.双极型和单极型

半导体器件中携带电荷的载体（载流子）有两种：电子和空穴（电子空缺的空穴），双极型器件使用两者，而单极型器件仅使用其中之一。在石墨烯器件中，可以通过控制施加到栅电极的电压来自由改变形状。

翻译：王宁愿

审校：刘   翔

          李   涵

通稿：李   涵

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