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上海技术物理研究所在热电子太赫兹探测和成像方面获得新进展
发布时间:2020-03-06 13:30:41 阅读:343

来源:中国科学院上海技术物理研究所

    近日,上海技术物理研究所的陈效双、陆卫团队的王林研究员、苏州纳米所张凯研究员等合作团队围绕亚趋肤深度范围的太赫兹场与黑磷表面载流子作用的非平衡新型探测获得新进展。研究团队通过改良传统器件制备工艺,利用低成本倾角蒸镀技术实现了超越弹道极限的超短沟道器件,并大幅提升了二维材料器件在太赫兹频段的室温应用能力。该工作实现太赫兹电磁场在亚30纳米尺度范围持续增强聚焦,并采用非对称接触势促进了太赫兹激励下黑磷表面热电子的高效产生与光电转换调控,从而获得了高灵敏的室温太赫兹探测和成像。研究结果近日以“Sensitive Terahertz Detection and Imaging Driven by the Photothermoelectric Effect in Ultrashort Channel Black Phosphorus Devices”为题发表在Advanced Science期刊(影响因子15.804),并被遴选为封面文章。

基于超短沟道非对称天线的黑磷太赫兹探测器的原理图及其对新鲜的树叶透射成像结果图(左),Advanced Science期刊论文封面(右)

    太赫兹波在光谱学,通信和成像等领域都有广泛的应用前景,但是,由于太赫兹光子能量低,容易受到热噪声的干扰,给太赫兹探测带来了巨大的挑战。以石墨烯,过渡金属硫族化合物,黑磷,拓扑绝缘体为代表的新型二维材料体系的出现为太赫兹探测提供了新的平台。只不过,这些材料的厚度都在纳米量级,而太赫兹的波长在亚毫米量级,太赫兹场与二维材料的光电耦合效率低是太赫兹探测的必须解决的困难。近年来,研究发现二维材料具有显著的热电子光热电效应(PTE),该原理通过吸收太赫兹波产生非平衡热载流子形成温度梯度分布,并通过场效应调控的方式实现非平衡载流子的快速抽取与信号调制,可避免传统单粒子激发的量子极限限制问题并具有宽带宽与可集成的优势,从而有望实现太赫兹室温有效探测。当前利用热电子效应进行太赫兹探测面临着大的入射光斑的面积与小的探测器的光敏区之间存在很大的不匹配,材料吸收能力较弱和热电子局域成为限制了器件量子效率等主要问题。

    为了解决上述问题,研究团队通过仿真模型发现,超短沟道结构能够有效的实现太赫兹的电场聚焦和增强,在沟道尺寸远小于太赫兹波长甚至超过金属天线的趋肤深度时,太赫兹电场增强达到2~3个数量级,从而大大提高电子与光子作用的概率。然而如何在小于波长达5个数量级的尺度上完成光子耦合的同时转化成光电流,不仅涉及光子极限聚焦问题还涉及非平衡载流子抽取的器件结构问题。针对光电流提取问题,研究者们采用非常规工艺,巧妙利用倾角二次套刻技术控制黑磷沟道的长度和不同的接触电极,获得了超短沟道20~100 nm非对称蝶形天线耦合的太赫兹探测器,从而避免了传统光刻的衍射极限与器件加工难度。该探测器同时利用了黑磷材料具有载流子迁移率高,带隙随厚度可调和导电性导热性面内各向异性等优点,从而促使了光子吸收和热电子的快速转移。器件的电学表征和光电测试表明,该探测器具有良好的光灵敏度,室温噪声等效功率小于60 pW/Hz0.5,响应时间低于1 μs,高动态范围(线性功率依赖超过2个数量级)和宽带工作(测量范围0.02~0.3 THz, antenna-limited)等优点。研究者们同时针对后续器件优化提出分析模型和数值模拟方法。该工作有效促进了人们针对热电子效应诱导产生太赫兹光电响应的理解,同时具备低成本,可扩展能力强,可用于成像系统等优势。

    论文的第一作者是博士生郭万龙,通讯作者是王林研究员、陈效双研究员以及苏州纳米所张凯研究员。该研究工作得到国家重点研发计划,国家自然科学基金,装备预研基金等项目的支持。

    论文链接:https://doi.org/10.1002/advs.201902699

    封面链接:https://doi.org/10.1002/advs.202070029

 
 

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