基于拓扑绝缘体异质结的宽带太赫兹探测器

二维材料中的新量子态对凝聚态物理和现代光电器件的发展具有重要意义。然而具有宽带、室温和快速响应能力的太赫兹光电探测技术,由于缺乏暗电流和光吸收之间的最佳平衡,仍然面临着巨大的挑战。在这项研究中,作者合成了新型拓扑绝缘体材料GeBi₄Te₇,并搭建了其与Bi₂Te₃的范德华异质结,以实现高灵敏度的太赫兹光电探测器。在平面金属-材料-金属结构中实现了在室温下将低光子能量太赫兹波段直接转化为光电流。结果表明,基于Bi₂Te₃-GeBi₄Te₇的太赫兹光电探测器能够实现0.02～0.54 THz的宽谱探测,且具有很高的光响应率(在0.112、0.27、0.5 THz下分别为592 V·W^-1、203 V·W^-1、40 V·W^-1),响应时间小于6μs。值得注意的是,它被用于高频太赫兹的成像应用演示。这些结果为Bi₂Te₃     

InSb光电导太赫兹辐射理论研究

为了研究锑化铟(InSb)半导体材料的光电导太赫兹辐射过程,推导了太赫兹近场辐射公式。在考虑俄歇弛豫机制对光电导过程影响的情况下,分析了InSb光生载流子浓度、载流子散射率以及光电导表面反射率随时间的变化。结果表明,数值模拟与文献中的实验曲线变化趋势一致,计算结果吻合,证明了该研究方法的正确性。     

超快光场驱动的二氧化钒薄膜相变研究进展

二氧化钒(VO₂)是一种典型的强关联电子材料,当达到相变阈值时,会可逆地从绝缘单斜相转变到金属金红石相,这种相变主要通过温度、光照、电场、磁场、应力等激励条件激发。相突变可在亚皮秒时间尺度内发生,并会伴随着光学透过率、折射率和磁化率等特性的显著变化，其中相变前后电阻率会发生3～5个数量级的变化,这使得VO₂在智能节能窗、光电探测、光电存储、光开关等领域有着重要的应用前景。首先介绍了VO₂的相变机制,主要有电子关联驱动、晶格结构驱动以及两者共同驱动,接着重点介绍了利用超快时间分辨技术,尤其是太赫兹时域光谱技术,来研究VO₂薄膜的相变动力学过程,最后,介绍了基于VO₂薄膜的太赫兹调制器、太赫兹滤波器、太赫兹开关等领域的应用研究。     

快速响应的垂直结构二维钙钛矿光电探测器

制备基于二维钙钛矿(PEA)₂(MA)₄Pb₅I₁₆[PEA为C₆H₅(CH₂)NH₃, MA为CH₃NH₃]的垂直结构光电探测器,当二维钙钛矿薄膜厚度为280 nm时,器件的亮电流最大,500 nm处外量子效率达到90%,响应率达到0.37 A/W,探测率达到3.4×10¹² Jones(1 Jones=1 cm·Hz^1/2/W)。当二维钙钛矿薄膜厚度减小时,器件的响应时间没有持续减小,而在其厚度为80 nm时器件的响应时间最短,这是受载流子渡越时间和钙钛矿薄膜质量双重影响下的结果。在二维钙钛矿薄膜厚度为80 nm的基础上,通过减小器件的有效面积,其最终实现了113 ns的响应时间。本工作对推动低成本快速响应光电探测器的发展有着重要意义。     

两能谷效应对GaAs光电导天线载流子输运的影响

光电导天线(PCA)产生太赫兹(THz)辐射受光生载流子输运情况的影响很大。考虑到GaAs材料光电导天线两能谷效应,修正了德鲁德-洛伦兹模型,得到了载流子输运情况并与经典扩散-漂移模型仿真结果进行了对比。同时采用了时域有限差分方法(FDTD)耦合载流子密度,仿真太赫兹辐射时域波形,并与太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)测量时域波形对比。结果表明,两能谷效应修正的德鲁德-洛伦兹模型仿真辐射时域波形与THz-TDS测量波形吻合,14μm和34μm小孔径GaAs偶极子光电导天线在波长为800nm,脉冲半峰全宽为30fs,脉冲重复频率为75MHz,平均功率为327mW的钛宝石飞秒激光器照射条件下,GaAs材料衬底两能谷效应引起的载流子输运变化对THz辐射起关键作用。     

34μm孔径GaAs偶极子光电导天线辐射特性仿真研究

光电导天线的辐射特性仿真是设计和制造光电导天线的重要依据。将蒙特卡洛经验公式修正的GaAs迁移率随电场强度的变化关系引入德鲁德-洛伦兹模型,分析了光电导天线载流子输运情况。又将德鲁德-洛伦兹模型计算的光生载流子密度与时域有限差分方法相结合,得到34 m孔径GaAs偶极子光电导天线的时域、频域及三维辐射特性。辐射峰值为0.8 THz,频谱宽度大于1 THz,与太赫兹时域光谱系统实际测量得到的数据吻合。结果表明:仿真方法正确可行,能够为设计和制造高增益、宽频带的太赫兹光电导天线提供参考依据。     

光电导天线太赫兹辐射研究

利用超短激光脉冲触发光电导天线产生太赫兹波是目前研究比较深入,同时得到广泛采用的一种太赫兹波源.电流瞬冲模型能较好地解释光电导天线辐射太赫兹波的机理,并且与实验相吻合,因而被普遍接受.影响光电导天线的因素有材料性质、偏转电压、激光脉冲宽度和单脉冲能量等,其中激光脉冲宽度和激光脉冲能量对太赫兹辐射有很重要的影响.材料中的光生载流子寿命对辐射也有一定的影响.当改变这些参数时,辐射的太赫兹波有不同的特性变化.此外,逐步增大激光脉冲能量,会发现辐射的太赫兹波强度存在一个饱和特性.     

InSb光电导太赫兹源材料性质及辐射场研究

为了研究锑化铟(InSb)半导体材料光电导太赫兹辐射过程,用数值计算方法分析材料内载流子迁移率和表面电流,以及不同性质抽运激光器对太赫兹波近场强度的影响,用宏观电磁场理论和微观半导体理论分析材料表面电流,比较了InSb和GaAs材料的太赫兹波功率谱曲线。结果表明,InSb材料载流子弛豫时间越长,载流子迁移率越大;表面电流与载流子寿命和弛豫时间成正比;宏观电磁场理论更适于分析表面电流;抽运激光饱和能量密度越大,太赫兹近场辐射强度越强;抽运激光脉冲宽度越短,太赫兹近场辐射强度越强;InSb光电导辐射太赫兹波功率比GaAs高。该结果为基于InSb光电导太赫兹辐射源的研究奠定了一定的基础。     

偏振可调的太赫兹光电导天线设计北大核心

提出了一种偏振可调的太赫兹光电导天线,其结构由四个弧形金属电极、低温砷化镓衬底和氮化硅抗反射涂层构成。通过对光电导天线的工作原理分析,可以发现弧形金属电极结构决定天线的辐射偏振,且衬底的载流子迁移率、载流子寿命和衬底材料对激光的吸收直接影响天线的辐射特性。利用COMSOL软件对该光电导天线进行建模仿真,其结果表明该光电导天线可以在45°方向倍增地辐射线偏振太赫兹波,且辐射强度相较于常规光电导天线提高了30%,辐射带宽高达10 THz。所设计太赫兹光电导天线具有偏振可调、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹光谱检测领域具有广阔的应用前景。     

基于超宽β-Ga2O3微米带的日盲光电探测器研究

氧化镓的禁带宽度接近5 eV,是一种极具前景的日盲紫外探测半导体材料。基于碳热还原法生长高质量β-Ga₂O₃微米带制备出MSM(Metal-Semiconductor-Metal)结构光电导紫外探测器,研究了不同的结构对光电器件性能的影响。结果表明等间距叉指电极光电探测器相较于两端电阻型光电探测器有更优异的性能。在10 V/254 nm紫外光照下,其响应度、外部量子效率、比探测率和光响应时间等性能提高明显,其中光电流(I_photo)有接近2个数量级的提升,且-2 V附近光暗电流比值增大至2.29×10⁵。随着叉指电极间距从50μm缩减至20μm,器件I_photo变大,其物理机制归因于阳极附近的耗尽层占据电极间微米带的比例增大引发了更高的光生载流子输运效率。     

二维铁电材料调控下的石墨烯超灵敏太赫兹探测器

石墨烯具有缺陷密度低、易大面积转移,载流子迁移率高等优异特性,但石墨烯具有的零带隙能带结构导致光生载流子寿命不高,制约了其在高灵敏光电探测器的应用。本工作中利用铁电材料CuInP₂S₆（CIPS）做顶栅来调控石墨烯的光电特性,探索了提升石墨烯太赫兹探测器灵敏度的可能性,研究了基于铁电调控下的石墨烯光热电效应和等离子体波自混频效应的探测机理,得到了高性能的石墨烯太赫兹探测器。在40 mV的偏置电压和2.12 V的栅压下,该器件在0.12 THz波段辐射下达到了0.5 A/W的响应率,响应时间为1.67 μs,噪声等效功率为0.81 nW/Hz^1/2。在0.29 THz波段辐射下仍达到了0.12 A/W的响应率,且噪声等效功率为1.78 nW/Hz^1/2。该工作展示了二维铁电异质结构在太赫兹波段中的巨大应用前景。     

光电导太赫兹天线效率参数的讨论

光电导天线是产生太赫兹波最常用的器件之一,但是目前它面临的主要问题是天线效率很低,难以获得高功率的太赫兹波.为了提高其输出功率和效率,介绍了计算光电导天线效率的公式,讨论了影响光电导天线光-太赫兹转换效率的参数:与激光源相关的参数如激光强度、脉冲宽度、激励光斑尺寸及位置;与光电导天线相关的参数如偏压电场、天线材料和几何结构、天线暗电阻率、基底材料等.这对光电导太赫兹天线的分析与设计也是大有裨益的.     

砷化镓类半导体材料在太赫兹波段的透射特性研究

首先给 出了利用光电导天线产生的太赫兹波的时域和频域光谱,进而,基于搭建的太赫 兹时域光谱系统, 并采用透射光谱法分别测量了砷化镓类型的三种半导体材料在太赫兹波段的透过率。结果表 明,基于光电导 天线产生的太赫兹波在0~2THz范围内,光谱比较稳定,频率带宽比 较宽;砷化镓半导体材料在0~2.0THz 范围内的透过率的变化相对较小,具有较高的透过率(>60%),并且 明显优于碲化锌以及碲化镉半导体 材料在太赫兹波段的透过率。因此,相比于碲化锌以及碲化镉半导体材料而言,砷化镓半导 体材料更适用于设计宽频带的太赫兹功能器件。     

太赫兹时间分辨系统研究有机卤化物钙钛矿薄膜的超快太赫兹调制

研究了利用太赫兹时间分辨系统研究有机卤化物钙钛矿薄膜(CH_3NH_3PbI_3 and CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x)的皮秒尺度的超快太赫兹调制特性.在光激发作用下出现了太赫兹透射波的瞬时下降.相比于CH_3NH_3PbI_3薄膜,在光激发作用下CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜展现了更高的调制深度(10%).通过测算材料的电导率及载流子浓度,其调制机理为瞬态光激发载流子浓度上升.实验结果表明,CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜可作为一种高效超快太赫兹调制器件.     

不同浓度Ti:Bi2Te3的调Q光纤激光器

基于二维材料的非线性光开关是调Q光纤激光器的核心器件,二维材料光开关的浓度会直接影响其非线性光学吸收特性,从而改变脉冲的时域特性。因此,针对二维材料浓度对调Q光脉冲的影响进行了研究,并通过实验制作了基于不同浓度Ti: Bi₂Te₃可饱和吸收光开关,分析了Ti: Bi₂Te₃浓度对非线性光学吸收特性的影响,获得了调Q光脉冲的调制深度、脉冲宽度、重复频率和单脉冲能量随不同浓度Bi₂Te₃的变化关系。最终,针对谐振腔参数对Ti:Bi₂Te₃浓度进行优化,在泵浦功率为71 mW时,获得了中心波长为1 560 nm、脉冲宽度为8 μs,重复频率为14.2 kHz、平均输出功率2.15 mW、对应单脉冲能量为151.4 nJ的脉冲输出。     

超快强激光泵浦强太赫兹源及其驱动的材料非平衡态研究进展

太赫兹源是太赫兹科学技术发展和相关应用研究的基础。超快激光为太赫兹的产生和探测提供了稳定、可靠的激发光源。超快激光泵浦各种激发介质可以产生太赫兹波,激发介质主要有4类：1）固体介质,如光电导天线、晶体等;2）气体介质,如空气;3）液体介质,如液态水、液态镓、液氮等;4）等离子体介质,如钛薄膜、金属铜箔。太赫兹场强的进一步提高催生了人们对强场太赫兹与物质的相互作用以及太赫兹非线性光谱学的研究,太赫兹不仅能作为探测物性的手段,其发射光谱亦可以实现对材料中非平衡态载流子与晶格、自旋等有序度的强耦合。本文综述了超快激光激发数种不同类型介质产生太赫兹源的国内外研究发展历程,包括其工作原理以及目前存在的问题,总结了目前强场太赫兹波在物态调控方面的应用,以及太赫兹时间分辨光谱在新型物态探测方面的应用,最后展望了太赫兹源未来的发展趋势和应用前景。     

低温生长砷化镓光电导天线产生太赫兹波的辐射特性

研究了低温生长砷化镓光电导天线(LT-GaAs PCA)产生太赫兹(THz)波的辐射特性。利用太赫兹时域光谱(TDS)技术测量了光电导发射极在飞秒激光作用下辐射的太赫兹脉冲,得到了时域发射光谱,并通过快速傅里叶变换(FFT)得到相应的频域光谱。结果表明,低温砷化镓光电导天线产生的太赫兹波信号比飞秒激光激发半导体表面产生的太赫兹波信号具有更高的强度和信噪比;太赫兹波信号与光电导天线的偏置电压成线性关系;随着抽运激光功率的增强,太赫兹波信号增大并出现饱和。     

基于光抽运-太赫兹探测技术的ZnSe纳米薄膜的光致载流子动力学特性

利用光抽运-太赫兹探测技术,研究了ZnSe纳米 薄膜的载流子弛豫过程和太赫兹波段 电导率的时间演化过程。通过监测THz探测脉冲的变化,系统地研究了ZnSe纳米晶在光激发 载流子诱导下的瞬态光电导特性,并用Drude-Smith模型对瞬态电导率进行了拟合。在400 nm 的激光脉冲激励下,太赫兹脉冲的负透过率呈现出超快的上升和双指数衰减现象。时间常数 为5ps的快速衰减过程主要由ZnSe纳米晶界面缺陷处的光载流子后向散射控制,而时间常数 大于1ns的慢衰减过程主要是由载流子从导带到价带的复合引起的。瞬态电导率随时间的演 化表明,ZnSe纳米材料是制备超快THz开关的很好的备选材料。     

InGaAs/InAlAs光电导太赫兹发射天线的制备与表征

光电导天线作为太赫兹时域光谱仪产生与探测太赫兹辐射的关键部件，具有重要的科研与工业价值。本文采用分子束外延(MBE)方法制备InGaAs/InAlAs超晶格作为1 550 nm光电导天线的光吸收材料，使用原子力显微镜、光致发光、高分辨X射线衍射等方式验证了材料的高生长质量；通过优化制备条件得到了侧面平整的台面结构光电导天线。制备的光电导太赫兹发射天线在太赫兹时域光谱系统中实现了4.5 THz的频谱宽度，动态范围为45 dB。     

微型化太赫兹集成器件的前沿技术进展

针对国际上太赫兹器件技术进展予以概括和分析,提炼出共振隧穿二极管、单向载流子传输光电二极管2种可行的小型化器件方案。在材料生长和器件结构方面分析了太赫兹波的产生原理和难点,在系统应用方面解释了短距离高速通信的实用案例。目前,采用共振隧穿二极管已实现2.5 Gbps速率的300 GHz无线通信演示实验,采用单向载流子传输光电二极管在该频点下实现了12.5 Gbps的无线通信实验。