国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）纳米材料研究部[研究部主任佐佐木刚]材料界面模拟组研究组组长宫本义幸与中国四川大学张宏教授，程新禄德国马克斯普朗克材料结构与动力学研究所教授安吉尔·卢比奥教授是石墨烯纳米带具有调制太赫兹（THz）频率紫外线的作用。根据这个计算结果，太赫兹波振荡建议在设备上的应用。
该模拟计算出，当紫外线穿过石墨烯纳米带时，其强度会以太赫兹周期进行调制。调制紫外光光电导特性的半导体时，以太赫兹周期调制的光电流将在半导体内流动，因此当将其应用于天线时，预计太赫兹波的振荡是可能的。这表明有可能开发出一种紧凑的太赫兹波振荡装置，可用于识别有机物质和观察生物体。
有关此模拟的详细信息，请参阅英国皇家化学学会出版的杂志纳米级
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| 使用石墨烯纳米带的太赫兹波振荡装置的概念图 |
近年来，石墨烯的应用技术备受关注，电子和洞的高传导特性的设备正在研究中(2012 年 12 月 11 日 AIST 新闻稿）。然而，在光学器件中，传导特性越高并不总是越好，并且这种特性并不总是有利的。另一方面，通过将石墨烯切割成条状而制成的石墨烯纳米带带隙并具有类似半导体的特性，并且已经进行了利用其光吸收和透射等特性的研究。
尽管太赫兹波可用于识别特定的有害物质并测量建筑物的恶化情况，但使用紧凑元件廉价地生产强大的太赫兹波源并不容易。
AIST 旨在通过使用计算科学的设计来加速纳米级材料的研究和开发。第一性原理计算模拟材料中电子和原子的行为，计算光照射到材料时电子的运动，并计算石墨烯等纳米级材料的光学响应 (2015 年 3 月 18 日日产 AIST 新闻稿)。
在这项研究中，产业技术研究所和四川大学研究了石墨烯纳米带的应用，马克斯·普朗克材料结构与动力学研究所研究了第一性原理计算的应用方法和解释，产业技术研究所负责数值计算。数值计算是在日本文部科学省科学研究/创新学术领域研究补助金“原子层科学（SATL）（2013-2019）”的支持下，使用大阪大学网络媒体中心共享设施的超级计算机进行的。
在这项研究中，我们通过模拟证实，当紫外线穿过石墨烯纳米带时，紫外线的强度会受到石墨烯以太赫兹周期的调制，并提出了利用这种现象的太赫兹波振荡装置。我们专注于具有像半导体一样带隙的带状一维石墨烯纳米带，并假设石墨烯纳米带的末端具有与构成石墨烯片的碳原子键合的氢原子（图1）。该石墨烯纳米带沿图 1 所示方向极化光电场的紫外线时变密度泛函理论的第一原理计算，计算出电子从石墨烯纳米带的一端到另一端来回移动时引起的振动。即，由于光照射，石墨烯纳米带内部的电子电子云尝试根据光电场的振荡进行振荡。如果电子云的固有频率接近光电场的频率，则预计会发生共振现象。在第一性原理模拟中计算出，当照射紫外光（光子能量为6eV左右）时，电子云的振动和光电场的振动表现出共振现象，电子云的振动振幅反复增大和衰减。
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| 图1 将垂直于纵向偏振的紫外光的光电场施加到模拟中使用的石墨烯纳米带 |
图2比较了石墨烯纳米带中电子在距石墨烯纳米带表面0334 nm高度处振动产生的感应电场和光电场之和（这称为总电场），以及光电场随时间变化的模拟结果。请注意，紫外光的光子能量计算为 620 eV 和 653 eV。
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| 图2 石墨烯纳米带受到光子能量为620 eV和653 eV的紫外光照射时石墨烯纳米带表面附近总电场的模拟结果 |
如图2所示，总电场强度反复增大和减小，周期约为100飞秒（fs）。该周期对应于大约 10 THZ。因此，当将石墨烯纳米带涂覆到半导体表面并通过石墨烯纳米带将紫外光照射到半导体上时，以100fs周期调制的紫外光到达半导体，并且认为在半导体内部流动的光电流也以100fs周期调制。预计通过将该半导体连接到天线可以产生太赫兹波。此外，对于来自天线的太赫兹波振荡，严格优选在两个方向而不是在一个方向上改变电流以产生作为电场的振荡，因此我们还建议将电流/电压转换器插入并连接到天线。
未来我们将开发石墨烯纳米带以外的产生05 THZ到5 THZ太赫兹波的材料，有望应用于实际应用低维材料我们还计划对照射光的波长寻求更广泛的可能性，从紫外线区域到可见光和红外线。