Graphene is considered as a promising platform for detectors of high-frequency radiation up to the terahertz (THz) range due to its superior electron mobility. Previously, it has been shown that graphene field effect transistors (FETs) exhibit room temperature broadband photoresponse to incoming THz radiation, thanks to the thermoelectric and/or plasma wave rectification. Both effects exhibit similar functional dependences on the gate voltage, and therefore, it was difficult to disentangle these contributions in previous studies. In this letter, we report on combined experimental and theoretical studies of sub-THz response in graphene field-effect transistors analyzed at different temperatures. This temperature-dependent study allowed us to reveal the role of the photo-thermoelectric effect, p-n junction rectification, and plasmonic rectification in the sub-THz photoresponse of graphene FETs.

1.
F.
Bonaccorso
,
Z.
Sun
,
T.
Hasan
, and
A.
Ferrari
,
Nat. Photonics
4
,
611
(
2010
).
2.
F.
Koppens
,
T.
Mueller
,
P.
Avouris
,
A.
Ferrari
,
M.
Vitiello
, and
M.
Polini
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
780
(
2014
).
3.
N. M.
Gabor
,
J. C. W.
Song
,
Q.
Ma
,
N. L.
Nair
,
T.
Taychatanapat
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
L. S.
Levitov
, and
P.
Jarillo-Herrero
,
Science
334
,
648
(
2011
).
4.
M.
Jung
,
P.
Rickhaus
,
S.
Zihlmann
,
P.
Makk
, and
C.
Schönenberger
,
Nano Lett.
16
,
6988
(
2016
).
5.
J.
Yan
,
M. H.
Kim
,
J. A.
Elle
,
A. B.
Sushkov
,
G. S.
Jenkins
,
H.-W. M.
Milchberg
,
M. S.
Fuhrer
, and
H.
Drew
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
472
(
2012
).
6.
X.
Cai
,
A. B.
Sushkov
,
R. J.
Suess
,
M. M.
Jadidi
,
G. S.
Jenkins
,
L. O.
Nyakiti
,
R. L.
Myers-Ward
,
S.
Li
,
J.
Yan
,
D. K.
Gaskill
 et al,
Nat. Nanotechnol.
9
,
814
(
2014
).
7.
D.
Mittleman
,
Sensing with Terahertz Radiation
(
Springer
,
2013
), Vol.
85
.
8.
L.
Vicarelli
,
M.
Vitiello
,
D.
Coquillat
,
A.
Lombardo
,
A.
Ferrari
,
W.
Knap
,
M.
Polini
,
V.
Pellegrini
, and
A.
Tredicucci
,
Nat. Mater.
11
,
865
(
2012
).
9.
D.
Spirito
,
D.
Coquillat
,
S. L. D.
Bonis
,
A.
Lombardo
,
M.
Bruna
,
A. C.
Ferrari
,
V.
Pellegrini
,
A.
Tredicucci
,
W.
Knap
, and
M. S.
Vitiello
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
061111
(
2014
).
10.
J.
Tong
,
M.
Muthee
,
S.-Y.
Chen
,
S. K.
Yngvesson
, and
J.
Yan
,
Nano Lett.
15
,
5295
(
2015
).
11.
G.
Auton
,
D. B.
But
,
J.
Zhang
,
E.
Hill
,
D.
Coquillat
,
C.
Consejo
,
P.
Nouvel
,
W.
Knap
,
L.
Varani
,
F.
Teppe
,
J.
Torres
, and
A.
Song
,
Nano Lett.
17
,
7015
(
2017
).
12.
A.
Zak
,
M. A.
Andersson
,
M.
Bauer
,
J.
Matukas
,
A.
Lisauskas
,
H. G.
Roskos
, and
J.
Stake
,
Nano Lett.
14
,
5834
(
2014
).
13.
H.
Qin
,
J.
Sun
,
S.
Liang
,
X.
Li
,
X.
Yang
,
Z.
He
,
C.
Yu
, and
Z.
Feng
,
Carbon
116
,
760
(
2017
).
14.
M.
Dyakonov
and
M.
Shur
,
IEEE Trans. Electron Devices
43
,
380
(
1996
).
15.
A.
Tomadin
and
M.
Polini
,
Phys. Rev. B
88
,
205426
(
2013
).
16.
A.
Kretinin
,
Y.
Cao
,
J.
Tu
,
G.
Yu
,
R.
Jalil
,
K.
Novoselov
,
S.
Haigh
,
A.
Gholinia
,
A.
Mishchenko
,
M.
Lozada
 et al,
Nano Lett.
14
,
3270
(
2014
).
17.
G.
Fedorov
,
A.
Kardakova
,
I.
Gayduchenko
,
I.
Charayev
,
B.
Voronov
,
M.
Finkel
,
T.
Klapwijk
,
S.
Morozov
,
M.
Presniakov
,
I.
Bobrinetskiy
 et al,
Appl. Phys. Lett.
103
,
181121
(
2013
).
18.
Yu. B.
Vasilyev
,
G. Yu.
Vasileva
,
S.
Novikov
,
S. A.
Tarasenko
,
S. N.
Danilov
, and
S. D.
Ganichev
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
041111
(
2018
).
19.
R.
Nouchi
,
T.
Saito
, and
K.
Tanigaki
,
Appl. Phys. Express
4
,
035101
(
2011
).
20.
K.
McCreary
,
K.
Pi
,
A.
Swartz
,
W.
Han
,
W.
Bao
,
C.
Lau
,
F.
Guinea
,
M.
Katsnelson
, and
R.
Kawakami
,
Phys. Rev. B
81
,
115453
(
2010
).
21.
E. J.
Lee
,
K.
Balasubramanian
,
R. T.
Weitz
,
M.
Burghard
, and
K.
Kern
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
486
(
2008
).
22.
D. A.
Bandurin
,
I.
Torre
,
R. K.
Kumar
,
M.
Ben Shalom
,
A.
Tomadin
,
A.
Principi
,
G. H.
Auton
,
E.
Khestanova
,
K. S.
Novoselov
,
I. V.
Grigorieva
,
L. A.
Ponomarenko
,
A. K.
Geim
, and
M.
Polini
,
Science
351
,
1055
(
2016
).
23.
R.
Krishna Kumar
,
D. A.
Bandurin
,
F. M. D.
Pellegrino
,
Y.
Cao
,
A.
Principi
,
H.
Guo
,
M.
Auton
,
G. H.
amd Ben Shalom
,
L. A.
Ponomarenko
,
G.
Falkovich
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
I. V.
Grigorieva
,
L. S.
Levitov
,
M.
Polini
, and
A. K.
Geim
,
Nat. Phys.
13
,
1182
(
2017
).
24.
M. B.
Shalom
,
M.
Zhu
,
V.
Fal'ko
,
A.
Mishchenko
,
A.
Kretinin
,
K.
Novoselov
,
C.
Woods
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
A.
Geim
 et al,
Nat. Phys.
12
,
318
(
2016
).
25.
J.
Crossno
,
X.
Liu
,
T. A.
Ohki
,
P.
Kim
, and
K. C.
Fong
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
023121
(
2015
).
26.
K.
Tielrooij
,
N.
Hesp
,
A.
Principi
,
M.
Lundeberg
,
E.
Pogna
,
L.
Banszerus
,
Z.
Mics
,
M.
Massicotte
,
P.
Schmidt
,
D.
Davydovskaya
 et al,
Nat. Nanotechnol.
13
,
41
46
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.