低维量子结构的红外—太赫兹光电器件研究

发布时间：2020-08-27 20:03

【摘要】：低维纳米材料是材料在三维空间中至少有一维介于0.1 nm-100 nm之间,如石墨烯、量子点、碳纳米管、纳米线等。由于在受限方向上的尺度与电子的平均自由程等量子特征长度可比拟,所以常常会表现出一些独特的、优异的性能,因此在诸多领域中都获得了蓬勃的发展。电磁超材料是一种由亚波长结构单元周期性排列组成的人工复合材料,其电磁性质除了依赖于组成超材料的结构单元的材料属性外,还依赖于单元的几何形状和尺寸。因此,其电磁性质可以通过人工设计进行调谐,并通过微纳加工得以实现,从而实现对电磁场的调控。太赫兹波由于其独特的物理性质,在生物、医学、天文、军事等领域掀起了广泛的研究热潮,相应的太赫兹器件的研究如太赫兹源、太赫兹调制器、太赫兹探测器也层出不穷。随着光刻、蒸镀、刻蚀等半导体微纳加工技术的发展,为低维量子结构太赫兹和红外光电器件的研究提供了可能。本论文主要研究了基于低维量子结构的红外-太赫兹光电探测器件,其中包括:基于石墨烯超材料的太赫兹调制器,基于拓扑绝缘体Bi2Se3的太赫兹探测器,基于导模共振集成量子阱红外探测器以及基于二硫化钼的可见-近红外探测器,具体内容包括:1.为实现主动调谐的太赫兹调制器件,构建了石墨烯与超材料集成的复合结构,通过调节石墨烯的费米能级改变其电磁响应,在太赫兹波段得到了一系列的调制频率和调制幅度,在两个偏振方向上的频率调制可达60%以上,幅度调制98%以上,这种对太赫兹波的主动调制,在太赫兹波整形以及波分复用系统中有着重要的应用。另外,通过在石墨烯超材料中引入对称性破缺,可以在两个偏振方向上实现电磁诱导透明,在透明窗口处,群折射率分别可达1200和2000以上,实现了很强的慢光效应,极大的促进了石墨烯材料与入射太赫兹波的相互作用。除此之外,我们建立了耦合谐振子模型分析了该电磁诱导透明现象的产生机理。2.为实现高响应率的太赫兹探测器件,我们制作了微纳天线集成拓扑绝缘体的太赫兹探测器件。利用机械剥离的方法将Bi2Se3转移到Si/Si O2衬底上,采用紫外光刻和电子束蒸镀工艺制备了Cr/Au人工微纳结构和源漏电极,构建了金属-拓扑绝缘体(Bi2Se3)-金属结构的两端器件(MTM)。当入射光照射到拓扑绝缘体时,拓扑绝缘体表面态的电子与太赫兹辐射相互作用发生不对称性散射,从而在光伏条件下产生太赫兹响应。人工微纳结构的作用是耦合自由空间中入射的太赫兹波,增强电磁波与拓扑绝缘体电子态的相互作用,在光伏条件下,太赫兹波的响应率可达75 A/W,响应速度60ms,该器件的响应率可以通过外加偏压提高光电导增益得到进一步的提高。通过近红外光(785 nm)泵浦MTM太赫兹探测器,进一步验证该响应来源于拓扑绝缘体的表面态,从而为实现拓扑绝缘体表面态进行光电探测提供了一条有效途径。3.为实现高响应率、窄带宽、波长可拓展的高光谱红外探测器件,设计了介质导模共振集成量子阱材料的红外探测器,相比于传统的金属光栅耦合结构,大大地减小了金属对入射红外光的损耗,有效提高了入射红外光与量子阱子能态耦合。采用有限时域差分法(FDTD)数值模拟计算了该探测器的红外吸收谱。该结构利用介质光栅耦合入射电磁波,在量子阱激活层形成波导共振,增强量子阱材料的吸收,提高光响应。该结构实现了在远红外波段量子阱材料接近100%的全吸收,共振线宽低于100纳米,在6-10mm电磁波谱范围内可实现100个通道,在未来的高光谱探测中有着潜在的应用。另外,由于该结构中极高的Q因子,在偏离量子阱材料吸收的区域,高Q因子可以补偿量子阱吸收系数的降低,可实现一定的波长拓展功能(拓宽本身吸收频谱范围的3倍)。4.为实现快速,高响应的可见-近红外光电探测器,我们利用机械剥离和微纳工艺的方法制备了一个基于多层二硫化钼的光电探测器。在金属电极和二硫化钼纳米块之间形成欧姆接触,在可见波段的响应率和响应时间可达59 A/W和42ms。另外,进一步研究发现,该探测器的响应时间与二硫化钼纳米块厚度有一定关系,当其厚度低于15 nm时,响应时间随着纳米块厚度的增加而降低,这是由于相比于单层二硫化钼,基于多层二硫化钼纳米块的光电探测器界面的缺陷态减少,降低了对光生载流子的俘获和散射;当二硫化钼纳米块厚度超过15 nm时,其响应时间基本不变,这表明对于多层二硫化钼纳米块,体态的电子输运相比于界面态占主导,为实现快速的高响应红外探测器件提供了一条有效的途径。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441.4;TN15;TB33
【图文】：

太赫兹,电磁波谱,位置

1.1 引言太赫兹辐射是频率介于 0.1 THz 到 10 THz 范围内电磁波的统称，其光子对应能量介于 0.414 meV 到 41.4 meV 之间，如图 1.1 所示，该能量范围与分子的振动能和转动能相匹配，所以它可以呈现出与微波、红外、可见光不同的性质，如传播、散射、吸收等特性，为物质材料的表征和操控提供了很大的自由空间。由于其波段位于电子学科和光子学科的交叉领域，因此，对太赫兹波的研究可以促进这两个学科的融合发展。然而，由于缺少有效的辐射源和高效的探测设备，人们对该波段的开发和研究也一直处于空白，因而被称为“太赫兹空隙（THzGap）”。最近，由于超快激光、半导体等技术的迅速发展，也相继出现了一些稳定的太赫兹源、调制器和探测器，从而使得对太赫兹波的研究进入了新的篇章。

太赫兹,太赫兹波,调制器

图 1.2 太赫兹辐射的多种应用[1, 2, 4, 5, 6, 7]太赫兹波调制技术由于太赫兹科学与技术在无损检测、安检、通信以及传感领域的重要应用应用不仅需要高效的太赫兹源和探测器件，也迫切需要一些高性能的太赫制设备，因此，设计出能够调制太赫兹波的器件也是非常重要的。目前，现太赫兹波频率和幅度的调制方法有基于超材料的太赫兹调制器、基于半料的太赫兹调制器以及基于石墨烯材料的太赫兹调制器。1 超材料太赫兹调制器电磁超材料是指一些自然材料所不具备的新颖电磁特性的人工材料，它们亚波长周期性结构，它们的介电常数和磁导率可以通过对单元结构的尺寸

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图 1.3 （a）十字形纳米孔超材料结构示意图；（b）超材料单元阵列的俯视图；（c）超材料单元阵列的侧视图；负折射带通区域随着（d）L2尺寸的变化，W2=100 nm, W1=W2=100 nm, L1= 480 nm;（d）W2尺寸的变化，L1= L2=480 nm, W1=480 nm[23].1.2.2 半导体基太赫兹调制器上述基于改变超材料结构单元尺寸的方法不能实现对太赫兹辐射的主动调控，由于半导体材料的载流子浓度可以通过电压、温度、以及光照来进行调制，所以将超材料结构与半导体材料结合，既能实现对一定频率的太赫兹辐射的共振，又能实现对其频率或者幅度的主动调控。2006 年和 2008 年 Hou-TongChen 利用了 GaAs 材料和 Si 材料结合金属超材料实现了对太赫兹波幅值和共振频率的主动调控[11, 24]，2010 年王慧田组在太赫兹波段利用 InSb 的电导率随温度的变化特性进行调控幅值和共振频率[25]，但是缺点是基于半导体材料实现对太赫兹辐射的

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