日本東(dong) 北大學電氣通信研究所教授尾辻泰一的研究小組在2012年3月舉(ju) 行的“第59屆應用物理學相關(guan) 聯合演講會(hui) ”上宣布，“已證實經過光激發後的石墨烯可受激發射（Stimulated Emission）*太赫茲(zi) 波”注1）。受激發射是形成激光振蕩的必要條件。“在此基礎上適當組合諧振器，便可形成激光振蕩”（尾辻）。

      *受激發射＝是指在電子等被激發至高能級的狀態下，從(cong) 外部照射的電磁波會(hui) 激發電子的躍遷，從(cong) 而放射出與(yu) 射入的電磁波為(wei) 相同相位、相同頻率的電磁波的現象。

      注1）尾辻研究室於(yu) 2009年6月宣布“使用石墨烯成功受激發射出太赫茲(zi) 波”，此次進一步收集了多項證據，證實了受激發射現象。

      太赫茲(zi) 波是指頻率在100G～10THz範圍內(nei) 的電磁波。通過利用太赫茲(zi) 波，除了能夠實現數據傳(chuan) 輸速度為(wei) 100Gbit/秒的超高速無線數據傳(chuan) 輸，以及透視信封鑒定內(nei) 裝藥物的安全用途之外，還有望實現識別癌細胞等醫療應用。瞄準這些應用，業(ye) 內(nei) 還積極利用多項關(guan) 鍵技術對太赫茲(zi) 波源展開了開展（表1）。

還沒有便於(yu) 使用的波源

      不過，可用於(yu) 1THz左右的核心頻率區的太赫茲(zi) 波源的技術尚未確立。具體(ti) 來說，目前還沒有同時滿足下述4項條件的太赫茲(zi) 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一的相幹波。

      雖然通過應用光及紅外線技術開發出來的波源符合大輸出功率的要求，但裝置尺寸多數都很大，而且大多為(wei) 脈衝(chong) 輸出，因此不適於(yu) 數據發送等用途。其中，隻有量子級聯激光器（QCL）為(wei) 小型裝置，具備一定的輸出功率，並且可形成相幹波振蕩，但是隻能在200K以下的極低溫度下工作。

       另外，以電子技術為(wei) 基礎開發而成的高電子遷移率晶體(ti) 管（HEMT）及共振隧穿二極管（RTD）盡管能夠在室溫下工作，但並不是相幹波，而且輸出功率也較小。尾辻研究室還在開發名為(wei) “等離子體(ti) 共振型太赫茲(zi) 波發射器（PRT）”的元件。目前已通過芯片陣列化在實現數mW的高輸出功率方麵取得了眉目。不過，還不具備相幹性。

      如果以文章開頭提到的技術為(wei) 基礎，實現可輸出太赫茲(zi) 波的石墨烯激光元件的話，便有望開發出首例可同時滿足（1）～（4）項條件的波源。

考慮通過注入電流實現振蕩

考慮通過注入電流實現振蕩 

      此次日本東(dong) 北大學證實的是，向石墨烯照射波長1.55μm的紅外線（IR）後，就會(hui) 受激發射頻率數THz的太赫茲(zi) 波的現象（圖1）。

圖1：證實光激發後可形成受激發射
      日本東(dong) 北大學尾辻研究室證實的、石墨烯受激發射出太赫茲(zi) 波的原理（a），以及評測用元件的構造（b）。（a）為(wei) 4能級係統的受激發射。（b ）CdTe起非線性光學結晶作用。本圖由《日經電子》根據尾辻研究室的資料製成。

      下麵來簡單解釋一下其機製。在石墨烯內(nei) 部，受到IR照射後被激發到高能級的電子會(hui) 以熱量等形式逐漸失去能量。不過，由於(yu) 失去能量的速度會(hui) 逐漸變慢，因此載流子會(hui) 聚集到電子與(yu) 正孔再結合前的狀態。這樣就形成了粒子數反轉*狀態，從(cong) 而推動了受激發射的形成。

      *粒子數反轉＝是指處於(yu) 高能級狀態的粒子數比處於(yu) 低能級狀態的粒子數多的狀況。 

      日本東(dong) 北大學的尾辻教授今後計劃研製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來形成激光振蕩的元件。電流注入型元件通過電氣性控製石墨烯來實現p-i-n結（圖2）。

圖2：以電氣方式實現p-i-n結和粒子數反轉，由此形成激光振蕩
      日本東(dong) 北大學尾辻研究室設想的電流注入型石墨烯激光元件的構造。其思路是：在利用電氣方式實現p-i-n結的狀態下施加漏偏壓（VD），這時就會(hui) 發生粒子數反轉狀態，從(cong) 而形成激光振蕩。

      尾辻原本以為(wei) 利用電流注入型而非光激發型的話會(hui) 花費時間，但結果反而是效率更勝一籌。“光激發的話會(hui) 不可避免地向電子施加過度能量，受激發射的效率不高，而電流注入容易控製能量，可提高效率”（尾辻）。