米乐m6官方网站 (AIST；所长：Ryoji Chubachi) 材料界面模拟小组的 Yoshiyuki Miyamoto（组长）（所长：Takeshi Sasaki），与四川大学（中国）的张宏（教授）和程新禄（教授）以及马克斯·普朗克研究所的 Angel Rubio（教授）合作Structure and Dynamics of Matters（德国），通过计算模拟从理论上提出了石墨烯纳米带对紫外光的太赫兹（THz）调制，并提出了在太赫兹辐射装置中的应用。

该模拟表明，穿过石墨烯纳米带的紫外光的强度随太赫兹频率进行调制。当这种调制的紫外光照射到具有光电导特性的半导体上时，半导体会产生强度以太赫兹频率调制的光电流。因此，这种连接到天线的光电导半导体有望成为太赫兹辐射源。这个想法可能会导致紧凑型太赫兹辐射设备的生产，该设备可用于识别有机化合物以及观察生命物质。

当前模拟的详细信息已发布于纳米级，英国皇家化学学会出版的期刊。

使用石墨烯纳米带的太赫兹辐射装置示意图

石墨烯的应用引起了广泛关注，具有高导电电子和空穴载流子的石墨烯器件正在研究中（AIST 新闻稿，2012 年 12 月 11 日)。然而，对于光学器件来说，高导电特性并不总是有益的。另一方面，通过将石墨烯片切割成带而获得的石墨烯纳米带具有带隙和半导体性质，并且已经研究了石墨烯纳米带的光吸收/透射性质。

众所周知，太赫兹波可用于识别有害物质和检查建筑物的退化。然而，制造尺寸紧凑、成本低廉的强太赫兹辐射装置是很困难的。

AIST 的目标是通过使用计算模拟进行设计来加速纳米级材料的研究和开发。通过第一性原理计算模拟材料中电子和原子的动力学，研究了辐照材料的电子动力学和石墨烯等纳米级材料的光学响应（AIST 2015 年 3 月 18 日新闻稿）。

在这项工作中，AIST和四川大学讨论了石墨烯纳米带的应用，马克斯普朗克物质结构与动力学研究所考虑了第一原理方法和数据分析的使用。然后AIST进行了数值计算。这项工作是在文部科学省创新领域科学研究补助金“原子层科学（SATL）”（2013 财年 - 2017 财年）的财政支持下完成的，所有计算均使用大阪大学网络媒体中心的大型计算机系统进行。

在目前的工作中，研究人员通过模拟发现了穿过石墨烯纳米带的紫外光强度的太赫兹调制，并利用所发现的现象提出了一种太赫兹辐射装置。石墨烯纳米带是一种像半导体一样具有带隙的一维材料，是当前的研究对象。假设石墨烯纳米带的边缘具有扶手椅结构，边缘处的碳原子以氢原子终止（图1）。通过基于时间相关密度泛函理论进行第一性原理计算，模拟图1所示偏振矢量的紫外光照射，计算出电子从石墨烯纳米带的一个边缘交替运行到另一个边缘的振荡。这表明，石墨烯纳米带中电子云的振荡跟随紫外光光场的振荡。如果电子振荡的本征频率接近光频率，则预计会发生共振。第一性原理模拟显示了紫外光照射下光场和电子云的共振（光子能量约为6 eV），并计算了电子云振荡振幅的周期性增强和衰减。

图 1：当前模拟中使用的石墨烯纳米带模型，并假设紫外光偏振垂直于带轴

图2显示了感应电场和光场求和的计算结果的比较。感应场是由石墨烯纳米带中的电子云振荡产生的。距纳米带 0334 nm 高度处的总场（感应场加施加光场）和施加光场如图 2 所示。在这种情况下，紫外光的光子能量设置为 620 eV 和 653 eV。

图 2：石墨烯纳米带表面附近的模拟总场（红色）和光场（蓝色），光子能量分别为 620 eV 和 653 eV

如图2所示，总场强以100 fs左右的周期周期性增加（减少）。该周期对应于 10 THz 的频率。从这个结果可以看出，印刷在半导体上的石墨烯纳米带垫可以在光到达半导体之前以100 fs的周期调制紫外光，因此纳米带在半导体中引起周期为100 fs的调制光电流。当该半导体连接到天线时，预计会产生太赫兹辐射。由于天线的太赫兹辐射更喜欢天线内部的交流电而不是调制的单向电流，因此还建议在整个电路中插入电流电压转换器。

05 THz 到 5 THz 的频率是太赫兹辐射的实际有用区域。除了石墨烯纳米带外，还将进一步探索可用于05 THz至5 THz频率辐射的新材料。在探索中，跨越紫外、可见光和红外区域的入射光的波长将成为目标。