基于石墨烯-六方氮化硼双曲超材料的片上太赫兹切伦科夫辐射源实现3.2-14 THz超宽调谐

清华大学研究团队通过构建石墨烯/hBN双曲超材料(HMM)结构，成功实现片上低能自由电子激发的太赫兹切伦科夫辐射(CR)，在100μm尺度上获得3.2-14 THz的超宽调谐范围，输出功率达400nW。该研究突破了传统自由电子太赫兹源体积大、调谐窄的局限，为微型化可调谐太赫兹源提供了新方案。

　　

在电磁波谱中，太赫兹波段（0.1-10 THz）因其独特的穿透性和指纹谱特性，在生物医学成像、安全检查、无线通信等领域具有重要应用前景。然而，传统自由电子太赫兹源如自由电子激光器(FELs)、返波管(BWOs)等面临体积庞大（通常达米级）、调谐范围有限等瓶颈问题。虽然基于量子级联激光器(QCLs)等固态方案可实现小型化，但其频率调谐范围通常局限在1-2 THz。如何实现兼具微型化和宽频调谐特性的太赫兹源，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，清华大学Tianchang Li、Fang Liu和Yidong Huang团队在《Nature Communications》发表创新研究成果，通过巧妙设计石墨烯-六方氮化硼(hBN)双曲超材料(HMM)结构，首次在实验上直接观测到片上集成的自由电子太赫兹切伦科夫辐射(CR)，并实现3.2-14 THz的超宽频率调谐范围。这一突破性进展使芯片核心区域缩小至100×100μm，较传统自由电子源体积减小三个数量级，同时调谐范围媲美大型加速器装置。

研究团队采用多层交替堆叠的石墨烯(1-5 nm)/hBN(40-50 nm)构建HMM结构，利用其特殊的双曲色散关系实现低能电子(1.4-2.6 keV)激发CR。通过平面钼(Mo)阴极发射带状电子束(50μm宽)，结合金属光栅(周期2-6μm)实现辐射提取。关键技术包括：1）真空环境下机械剥离法制备石墨烯/hBN异质结；2）电子束光刻制备微纳电极与光栅结构；3）自建高真空(<10^-6 Pa)测试系统集成太赫兹扫描法布里-珀罗干涉仪(TSFPI)进行光谱表征。

研究结果部分，文章通过多个维度验证了创新发现：

Design and fabrication

成功制备出四至六层交替堆叠的石墨烯/hBN HMM结构，总厚度100-200 nm。光学显微镜图像显示经300℃退火后HMM具有良好平整度。平面Mo阴极在1.4-2.6 kV电压下可发射10-70μA电子束。

Measurement

实验测得芯片输出功率达400 nW，功率密度高达10⁴ W·m^-2。通过调节电子能量(1.4-2.6 keV)和光栅周期(2-6μm)，实现单器件最大5 THz(8.93-13.94 THz)的电调谐范围，阵列结构覆盖3.2-14 THz全波段。对比实验证实无HMM结构时辐射功率骤降至10-25 nW，排除Smith-Purcell辐射等干扰因素。

Analysis

理论计算与粒子网格(PIC-FDTD)模拟结果与实验高度吻合。场分布模拟显示HMM中存在宽带CR场，通过电子能量和光栅周期选择性提取目标频率。当固定光栅周期p=5μm时，电子能量从1.4 keV增至2.6 keV可使辐射频率从3.69 THz线性调至5.02 THz。

在讨论与结论部分，研究团队指出该工作首次将片上自由电子CR扩展至太赫兹频段，其调谐范围远超QCLs等固态方案，与大型FELs相当。创新的石墨烯/hBN HMM结构突破传统CR的电子能量阈值限制，结合平面电子发射与光栅提取技术，实现"电子速度-光栅周期"双重调谐机制。这项研究为发展微型化、可重构太赫兹系统奠定基础，也为探索其他频段的自由电子辐射源提供新思路。未来通过优化材料界面和电子束聚焦，有望进一步提升输出功率和能量转换效率。

该工作得到国家重点研发计划(2024YFA1209202)支持，相关技术已申请专利保护。研究数据与代码遵循开放获取原则，可通过通讯作者获取原始数据。这项跨学科研究凝聚了超材料设计、微纳加工、真空电子学等多领域创新，彰显了我国在太赫兹技术前沿的研发实力。