【摘要】：低維納米材料是材料在三維空間中至少有一維介于0.1 nm-100 nm之間,如石墨烯、量子點(diǎn)、碳納米管、納米線等。由于在受限方向上的尺度與電子的平均自由程等量子特征長度可比擬,所以常常會(huì)表現(xiàn)出一些獨(dú)特的、優(yōu)異的性能,因此在諸多領(lǐng)域中都獲得了蓬勃的發(fā)展。電磁超材料是一種由亞波長結(jié)構(gòu)單元周期性排列組成的人工復(fù)合材料,其電磁性質(zhì)除了依賴于組成超材料的結(jié)構(gòu)單元的材料屬性外,還依賴于單元的幾何形狀和尺寸。因此,其電磁性質(zhì)可以通過人工設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)諧,并通過微納加工得以實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場的調(diào)控。太赫茲波由于其獨(dú)特的物理性質(zhì),在生物、醫(yī)學(xué)、天文、軍事等領(lǐng)域掀起了廣泛的研究熱潮,相應(yīng)的太赫茲器件的研究如太赫茲源、太赫茲調(diào)制器、太赫茲探測器也層出不窮。隨著光刻、蒸鍍、刻蝕等半導(dǎo)體微納加工技術(shù)的發(fā)展,為低維量子結(jié)構(gòu)太赫茲和紅外光電器件的研究提供了可能。本論文主要研究了基于低維量子結(jié)構(gòu)的紅外-太赫茲光電探測器件,其中包括:基于石墨烯超材料的太赫茲調(diào)制器,基于拓?fù)浣^緣體Bi2Se3的太赫茲探測器,基于導(dǎo)模共振集成量子阱紅外探測器以及基于二硫化鉬的可見-近紅外探測器,具體內(nèi)容包括:1.為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)諧的太赫茲調(diào)制器件,構(gòu)建了石墨烯與超材料集成的復(fù)合結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)改變其電磁響應(yīng),在太赫茲波段得到了一系列的調(diào)制頻率和調(diào)制幅度,在兩個(gè)偏振方向上的頻率調(diào)制可達(dá)60%以上,幅度調(diào)制98%以上,這種對(duì)太赫茲波的主動(dòng)調(diào)制,在太赫茲波整形以及波分復(fù)用系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用。另外,通過在石墨烯超材料中引入對(duì)稱性破缺,可以在兩個(gè)偏振方向上實(shí)現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明,在透明窗口處,群折射率分別可達(dá)1200和2000以上,實(shí)現(xiàn)了很強(qiáng)的慢光效應(yīng),極大的促進(jìn)了石墨烯材料與入射太赫茲波的相互作用。除此之外,我們建立了耦合諧振子模型分析了該電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。2.為實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)率的太赫茲探測器件,我們制作了微納天線集成拓?fù)浣^緣體的太赫茲探測器件。利用機(jī)械剝離的方法將Bi2Se3轉(zhuǎn)移到Si/Si O2襯底上,采用紫外光刻和電子束蒸鍍工藝制備了Cr/Au人工微納結(jié)構(gòu)和源漏電極,構(gòu)建了金屬-拓?fù)浣^緣體(Bi2Se3)-金屬結(jié)構(gòu)的兩端器件(MTM)。當(dāng)入射光照射到拓?fù)浣^緣體時(shí),拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的電子與太赫茲輻射相互作用發(fā)生不對(duì)稱性散射,從而在光伏條件下產(chǎn)生太赫茲響應(yīng)。人工微納結(jié)構(gòu)的作用是耦合自由空間中入射的太赫茲波,增強(qiáng)電磁波與拓?fù)浣^緣體電子態(tài)的相互作用,在光伏條件下,太赫茲波的響應(yīng)率可達(dá)75 A/W,響應(yīng)速度60ms,該器件的響應(yīng)率可以通過外加偏壓提高光電導(dǎo)增益得到進(jìn)一步的提高。通過近紅外光(785 nm)泵浦MTM太赫茲探測器,進(jìn)一步驗(yàn)證該響應(yīng)來源于拓?fù)浣^緣體的表面態(tài),從而為實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體表面態(tài)進(jìn)行光電探測提供了一條有效途徑。3.為實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)率、窄帶寬、波長可拓展的高光譜紅外探測器件,設(shè)計(jì)了介質(zhì)導(dǎo)模共振集成量子阱材料的紅外探測器,相比于傳統(tǒng)的金屬光柵耦合結(jié)構(gòu),大大地減小了金屬對(duì)入射紅外光的損耗,有效提高了入射紅外光與量子阱子能態(tài)耦合。采用有限時(shí)域差分法(FDTD)數(shù)值模擬計(jì)算了該探測器的紅外吸收譜。該結(jié)構(gòu)利用介質(zhì)光柵耦合入射電磁波,在量子阱激活層形成波導(dǎo)共振,增強(qiáng)量子阱材料的吸收,提高光響應(yīng)。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在遠(yuǎn)紅外波段量子阱材料接近100%的全吸收,共振線寬低于100納米,在6-10mm電磁波譜范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)100個(gè)通道,在未來的高光譜探測中有著潛在的應(yīng)用。另外,由于該結(jié)構(gòu)中極高的Q因子,在偏離量子阱材料吸收的區(qū)域,高Q因子可以補(bǔ)償量子阱吸收系數(shù)的降低,可實(shí)現(xiàn)一定的波長拓展功能(拓寬本身吸收頻譜范圍的3倍)。4.為實(shí)現(xiàn)快速,高響應(yīng)的可見-近紅外光電探測器,我們利用機(jī)械剝離和微納工藝的方法制備了一個(gè)基于多層二硫化鉬的光電探測器。在金屬電極和二硫化鉬納米塊之間形成歐姆接觸,在可見波段的響應(yīng)率和響應(yīng)時(shí)間可達(dá)59 A/W和42ms。另外,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),該探測器的響應(yīng)時(shí)間與二硫化鉬納米塊厚度有一定關(guān)系,當(dāng)其厚度低于15 nm時(shí),響應(yīng)時(shí)間隨著納米塊厚度的增加而降低,這是由于相比于單層二硫化鉬,基于多層二硫化鉬納米塊的光電探測器界面的缺陷態(tài)減少,降低了對(duì)光生載流子的俘獲和散射;當(dāng)二硫化鉬納米塊厚度超過15 nm時(shí),其響應(yīng)時(shí)間基本不變,這表明對(duì)于多層二硫化鉬納米塊,體態(tài)的電子輸運(yùn)相比于界面態(tài)占主導(dǎo),為實(shí)現(xiàn)快速的高響應(yīng)紅外探測器件提供了一條有效的途徑。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O441.4;TN15;TB33
【圖文】：

1.1 引言太赫茲輻射是頻率介于 0.1 THz 到 10 THz 范圍內(nèi)電磁波的統(tǒng)稱，其光子對(duì)應(yīng)能量介于 0.414 meV 到 41.4 meV 之間，如圖 1.1 所示，該能量范圍與分子的振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能相匹配，所以它可以呈現(xiàn)出與微波、紅外、可見光不同的性質(zhì)，如傳播、散射、吸收等特性，為物質(zhì)材料的表征和操控提供了很大的自由空間。由于其波段位于電子學(xué)科和光子學(xué)科的交叉領(lǐng)域，因此，對(duì)太赫茲波的研究可以促進(jìn)這兩個(gè)學(xué)科的融合發(fā)展。然而，由于缺少有效的輻射源和高效的探測設(shè)備，人們對(duì)該波段的開發(fā)和研究也一直處于空白，因而被稱為“太赫茲空隙（THzGap）”。最近，由于超快激光、半導(dǎo)體等技術(shù)的迅速發(fā)展，也相繼出現(xiàn)了一些穩(wěn)定的太赫茲源、調(diào)制器和探測器，從而使得對(duì)太赫茲波的研究進(jìn)入了新的篇章。

圖 1.2 太赫茲輻射的多種應(yīng)用[1, 2, 4, 5, 6, 7]太赫茲波調(diào)制技術(shù)由于太赫茲科學(xué)與技術(shù)在無損檢測、安檢、通信以及傳感領(lǐng)域的重要應(yīng)用應(yīng)用不僅需要高效的太赫茲源和探測器件，也迫切需要一些高性能的太赫制設(shè)備，因此，設(shè)計(jì)出能夠調(diào)制太赫茲波的器件也是非常重要的。目前，現(xiàn)太赫茲波頻率和幅度的調(diào)制方法有基于超材料的太赫茲調(diào)制器、基于半料的太赫茲調(diào)制器以及基于石墨烯材料的太赫茲調(diào)制器。1 超材料太赫茲調(diào)制器電磁超材料是指一些自然材料所不具備的新穎電磁特性的人工材料，它們亞波長周期性結(jié)構(gòu)，它們的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以通過對(duì)單元結(jié)構(gòu)的尺寸

圖 1.3 （a）十字形納米孔超材料結(jié)構(gòu)示意圖；（b）超材料單元陣列的俯視圖；（c）超材料單元陣列的側(cè)視圖；負(fù)折射帶通區(qū)域隨著（d）L2尺寸的變化，W2=100 nm, W1=W2=100 nm, L1= 480 nm;（d）W2尺寸的變化，L1= L2=480 nm, W1=480 nm[23].1.2.2 半導(dǎo)體基太赫茲調(diào)制器上述基于改變超材料結(jié)構(gòu)單元尺寸的方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲輻射的主動(dòng)調(diào)控，由于半導(dǎo)體材料的載流子濃度可以通過電壓、溫度、以及光照來進(jìn)行調(diào)制，所以將超材料結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體材料結(jié)合，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)一定頻率的太赫茲輻射的共振，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)其頻率或者幅度的主動(dòng)調(diào)控。2006 年和 2008 年 Hou-TongChen 利用了 GaAs 材料和 Si 材料結(jié)合金屬超材料實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波幅值和共振頻率的主動(dòng)調(diào)控[11, 24]，2010 年王慧田組在太赫茲波段利用 InSb 的電導(dǎo)率隨溫度的變化特性進(jìn)行調(diào)控幅值和共振頻率[25]，但是缺點(diǎn)是基于半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲輻射的

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本文編號(hào)：2806557