碳纳米管立大功，攻克片上太赫兹波导难题

太赫兹波处于传统射频与光学频段之间，通常认为其频谱范围为100GHz（波长3毫米）至10THz（波长30微米）。目前，业界对利用太赫兹波的带宽优势及其他潜在特性抱有极大兴趣。然而，调控这些波长的电磁能量面临诸多挑战——对大多数电子器件来说，太赫兹波波长过短；但对全光学器件而言，其波长又过长。

尽管如此，相关材料与元器件的研发工作仍在大量开展，尤其是太赫兹技术拥有众多潜在应用场景，包括目前正在制定的下一代6G通信标准。在太赫兹频段及对应波长下，信号能量必须通过波导传输，分立导线显然无法胜任。但当波导作为片上集成功能的一部分在硅片上制造时，所需的波导物理过渡结构设计难度极大。

为解决这一难题，莫斯科私立研究院斯科尔科沃科学技术研究院（Skoltech）的研究团队与瑞典皇家理工学院（KTH）合作，开发出一项关键技术，可为硅基太赫兹波导及其片上过渡结构提供支持。

他们的解决方案基于碳纳米管，这种神奇的材料总能为各类问题提供新思路。单壁碳纳米管（SWCNT）于1991年被发现。与富勒烯和石墨烯一样，单壁碳纳米管是碳的同素异形体之一。同素异形体是指同一化学元素在相同物理状态下呈现的不同结构形式；由于原子间成键方式不同，同素异形体彼此间的物理和化学性质差异巨大——最典型的例子就是金刚石与石墨。

构建这些复杂的太赫兹电路的核心挑战之一，是设计匹配良好的终端负载。若缺乏合适的终端，器件不连续处的反射会级联放大，导致性能下降并改变预期工作特性。此外，这类终端对于定向耦合器等多端口器件的表征至关重要——其未使用的端口必须接匹配负载终端。

传统解决方案是采用绝热型或阻抗匹配型波导截面渐变结构连接至自由空间，通过逐渐扩展导波模式产生辐射损耗，同时兼作介质杆天线。但这类结构的效率取决于渐变段长度，会占用宝贵的芯片面积；还可能向非预期方向辐射能量，增加封装难度、限制集成密度并产生电磁干扰。

需要说明的是，在绝热耦合方法中，光模式通过缓慢改变波导参数（宽度、厚度或两者同时改变）在波导间耦合，确保光模式始终保持在基模状态，不会耦合至不需要的高阶模式。因此，渐变波导必须足够长才能满足波导参数缓慢变化的绝热条件，但同时又要满足器件小型化要求，这就形成了不可避免的权衡取舍。

该研究团队设计并测试了一种基于碳纳米管的涂层，它能够阻挡电磁辐射，从而打造出适配太赫兹波长的波导。他们合成的超薄单壁碳纳米管薄膜，与此前用于制造透镜、天线等小型器件的薄膜类似，但存在一个关键区别：这次并非用于独立器件，而是利用碳基材料在二维集成光电路中调控电磁辐射、消除干扰并实现更多功能。

他们通过在硅介质杆波导（DRW）表面涂覆超薄单壁碳纳米管薄膜，成功演示了一种紧凑型宽带终端负载。该薄膜采用浮动催化剂（气溶胶）化学气相沉积工艺制备，厚度在2至53纳米之间，并在140-220GHz频段完成了表征测试。53纳米厚的薄膜可实现高达47分贝的衰减，同时保持20分贝以上的回波损耗，证实了其近乎无反射的吸收效果。

图1负载SWCNT的DRW反射测量结果

屏蔽效率分析表明，该薄膜的吸收作用远大于反射作用，研究团队取得了5.5×10⁹分贝・平方厘米/克的创纪录比屏蔽效率。

图2SWCNT涂层介质波导的屏蔽效率组成：140-220GHz频段内，6毫米（左列）和12毫米（右列）样品的反射分量SER（a、b）、吸收分量SEA（c、d）及总屏蔽效率SET（e、f），浅灰色为未负载硅波导的等效屏蔽效率作为参考。

这种方法无需使用体积庞大的辐射式终端负载，为高密度太赫兹电路提供了面积高效的解决方案。相关研究成果已发表在《自然-通讯》上，论文题为《用于太赫兹介质波导的超薄单壁碳纳米管表面波吸收器》。遗憾的是，论文中并未提供硅基SWCNT波导及过渡结构的显微照片，只能靠读者自行想象。