太赫兹光电导原子力显微镜揭示少层石墨烯纳米尺度电荷分布与整流特性

这篇研究创新性地将太赫兹（THz）光源与导电原子力显微镜（cAFM）耦合，开发出THz-pcAFM系统，实现了纳米级空间分辨的太赫兹光电流成像。通过铂探针同时作为THz场增强天线和纳米结电极，首次在少层石墨烯（FLG）中观测到电荷池（charge puddles）并揭示了铂-石墨烯纳米结的太赫兹整流效应，为二维材料表面质量评估提供了新工具。

　　

1 引言

金属-半导体结在太赫兹探测器等光子器件中具有核心地位，而石墨烯因其超快响应特性成为研究热点。传统近场显微技术如散射扫描近场光学显微镜（s-SNOM）虽能突破衍射极限，但难以实现电学特性与THz响应的同步纳米级表征。本研究通过改造导电原子力显微镜（cAFM），集成0.61 THz放大器-倍频链光源，使铂探针兼具纳米结电极和THz天线双重功能，开创性地实现了光电流与电输运的同步纳米成像。

2 材料与方法

实验采用放大器-倍频链（TeraSchottky 600）产生0.575-0.625 THz连续波，通过离轴抛物面镜聚焦至半径20 nm的铂探针。探针与少层石墨烯（3-30层）形成纳米结时，同时测量直流I-V曲线（HP34401A万用表）和270 Hz调制光电流（锁相放大器SR860）。值得注意的是，石墨烯-金基底界面与铂探针构成不对称几何二极管结构，为THz整流提供了理想条件。

3 实验结果

3.1 THz光响应

在零偏压下观察到负向光电流（约-0.5 nA），符合石墨烯（S_Gr≈30 μV/K）与铂（S_Pt≈-5 μV/K）的塞贝克系数差异引发的光热电效应。当施加偏压时，光电流呈现非线性饱和特性，二阶导数d²I/dV²与光电流曲线的吻合证实了THz整流的主导作用。通过平行板电容模型估算，该纳米结的截止频率远超0.61 THz工作频率，满足高频响应需求。

3.2 THz纳米成像

在2 nm厚（3层）石墨烯区域，同时获取的cAFM与THz-pcAFM图像显示出显著差异：金基底上直流电流达240 μA而光电流仅为噪声，石墨烯区域则呈现150 nm尺寸的电荷池，其光电流信号增强3倍。这种空间异质性源于基底界面电荷杂质诱导的局域费米能级偏移，通过增加隧穿载流子密度同时提升直流和光电流响应。

4 结论

THz-pcAFM技术通过纳米结整流效应与光热电效应的协同作用，不仅能绘制二维材料的电荷分布图，还可评估表面缺陷密度。未来通过优化探针几何形状（如锥角设计）和真空环境操作，有望将空间分辨率提升至10 nm以下，为太赫兹探测器件的纳米级工程提供全新表征范式。