基于石墨烯的太赫兹光电探测器研究

发布时间：2021-03-10 07:11

　　太赫兹波由于在电磁波谱中占有的特殊位置、具有卓越的性质且在成像系统、宽带通信和环境监测等众多领域有广阔的应用前景,关于太赫兹探测技术的研究也引起更多研究者的关注。受限于探测性能,传统的太赫兹探测器通常基于热传感元件,不足之处在于响应速度比较慢或者需要深度低温冷却的环境条件。石墨烯是二维材料的典型代表,由于具有优质的机械柔韧性、良好的导热性、超高的载流子迁移率等光电物理性能,在太赫兹探测中具有重要的应用潜力。然而由于光电流与光电压的响应受到石墨烯对光吸收情况的影响,目前石墨烯太赫兹探测器在性能方面还有很大的提升空间。因此,本文通过寻找合适的材料与石墨烯结合并设计新的结构来增强太赫兹探测器对太赫兹光的吸收及响应,研究了影响和提升石墨烯太赫兹探测器性能的因素。本文的主要工作如下:（1）设计了一种基于异质结隧穿效应的石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫探测器。石墨烯与传统半导体砷化镓结合构成的异质结作为典型的肖特基结,表现出了较好的整流特性。在此基础上在石墨烯和砷化镓之间插入一层三氧化二铝作为绝缘隧穿层。氧化铝的引入使得砷化镓与石墨烯之间的势垒高度增加,导致电子跨越势垒需要更多的能量从而抑制了石墨烯... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

太赫兹波段在电磁波谱中的位置[1]

浙江大学硕士学位论文第1章绪论2（1）低能性：太赫兹光子的能量仅有4毫电子伏特，能量不高，因此不会对被检测的物质产生有害的电离反应。利用太赫兹波做检测相对比较安全，在安检和细胞的生物检测中具有极大的优势。（2）穿透性：对于许多物质例如纸盒和包装物等，太赫兹波具备很强的穿透力，所以对于非透明材料的检测和成像具有重要作用。在公共场合的安全检查中可以有效分辨是否具有腐蚀性溶液、攻击性器械等禁运物品，如图1.2(a)所示。图1.2太赫兹波的特性应用及发展历程。(a)太赫兹成像用于安全检查[13]；(b)利用太赫兹光谱技术得到样品油参数对比[14]；（3）相干性：太赫兹波的产生过程决定了太赫兹波具有相干性。利用太赫兹相干技术可以得到电场幅度和相位值，通过电场幅度和相位值能够计算出样品的折射率及吸收系数，因此太赫兹波具有较高的灵敏度，在进行物质检测时，不仅能够分辨物体外貌还可以分析其组成成分。这一特性的典型应用在地沟油检测，如图1.2(b)所示，不同样品的脂肪酸等含量不同使得利用太赫兹光谱技术得到的样品参数有显著区别，从而对地沟油进行有效鉴定。（4）宽带性：单个太赫兹脉冲频带涵盖的区间由吉赫兹（GHz）至几十太赫兹,可以在较大范围内对物质的光谱性能进行分析。由于其频率高于微波，能够搭载更多的信息，具备太空大容量高速通信的潜力。图1.3展示了一种大容量太赫兹无线通信系统示意图，在0.237THz频率下，传输速率达到100Gbit/s。

浙江大学硕士学位论文第1章绪论3图1.3太赫兹无线通信系统示意图[15]图1.4太赫兹相关技术的发展历程[16]从图1.4可以看到太赫兹技术在不同阶段的发展历程。随着5G时代的到来，低时延、大带宽、高速率的实现带来了极大的便利，而引入太赫兹技术可能解决室内5G无法提供足够高的数据吞吐量以及足够低的延迟等问题[17,18]，可以说太赫兹技术在不远的将来具有更加广阔的应用天地。


本文编号：3074275