Name: 电浆光电导太赫兹发射器的设计，制造和实验表征 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 54 s
Description: 学习利用等离子体光电导发射器产生太赫兹辐射的高效方法，通过电子束光刻技术制造原型器件。该技术可将辐射功率和效率提升两个数量级，为太赫兹成像与光谱学应用提供重要价值。

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作者感谢Picometrix提供LT-GaAs衬底，并衷心感谢密歇根太空资助联盟、由John Albrecht博士管理的DARPA青年教员奖（合同号# N66001-10-1-4027）、由Samir El-Ghazaly博士管理的NSF职业奖（合同号# N00014-11-1-0096）、由Paul Maki博士管理的ONR青年研究者奖（合同号# N00014-12-1-0947）以及由Dev Palmer博士管理的ARO青年研究者奖（合同号# W911NF-12-1-0253）提供的经费支持。

1. 等离激元光电导发射器的制备
<ol>
 <li>制备等离激元光栅。
 <ol>
 <li>将半导体晶圆依次浸入丙酮（2 分钟）、异丙醇（2 分钟）中清洗，然后用去离子水冲洗（10 秒）。</li>
 <li>用氮气吹干样品，然后在115 °C的加热板上加热90秒，以去除残留的水分。</li>
 <li>以 4,000 rpm 的转速将 MicroChem 950K PMMA A4 旋涂于样品上，持续 45 秒。随后在热板上于 180 °C 预烘 3 分钟。</li>
 <li>将样品载入电子束光刻设备（JEOL JBX-6300-FS）中。以约 650 μC/cm 的基础剂量曝光等离激元光栅图案2，使用100 kV的加速电压。</li>
 <li>将样品浸入甲基异丁基酮:异丙醇（MIBK:IPA）1:3 混合溶液中显影 90 秒。随后立即将样品转移至纯异丙醇溶液中处理 60 秒。</li>
 <li>用去离子水冲洗样品10秒，然后用氮气吹干样品。</li>
 <li>将样品载入等离子清洗仪（YES-CV200RFS）中。以30 W射频功率、30 °C条件、100 sccm氧气流速对样品进行去残处理2 流速持续10秒。</li>
 <li>通过将样品浸入 HCl:H20 3:10 混合液处理 30 秒。立即将样品转移至去离子水 cascade rinse 中冲洗 4 分钟。</li>
 <li>将样品转移至去离子水烧杯中，以在金属沉积前尽量减少其暴露于大气氧气的环境中。</li>
 <li>将含有样品的烧杯连同去离子水一起放入金属蒸发仪（Denton SJ-20）中。对腔室放气后，取出样品，干燥并装入腔室内（为防止样品表面形成氧化物，上述步骤应连续进行，不得中断）。</li>
 <li>将腔室抽真空至压力低于 2x10-6 Torr。沉积 Ti/Au（50/450 Å）。</li>
 <li>打开腔室排气并取出样品。</li>
 <li>为剥离沉积的金属，将样品置于盛有丙酮的烧杯中的聚四氟乙烯支架上，盖上盖子，静置过夜。打开烧杯盖，将其放入超声波振荡器中，直至所有不需要的金属完全去除（通常约30秒）。</li>
 </ol>
 </li>
 <li>沉积 SiO2 钝化

 <ol>
 <li>按照步骤 1.1.1 - 1.1.2 对样品进行清洗。</li>
 <li>将样品载入等离子体增强化学气相沉积设备（GSI PECVD）中。沉积1500 Å的SiO2 在 200 °C。</li>
 </ol>
 </li>
 <li>通过二氧化硅打开接触通孔2.

 <ol>
 <li>按照步骤 1.1.1 - 1.1.2 对样品进行清洗。</li>
 <li>以 4,000 rpm 转速旋涂 HMDS 30 秒。以 4,000 rpm 转速旋涂 Megaposit SPR 220-3.0 光刻胶 30 秒。在热板上 115 °C 预烘 90 秒。</li>
 <li>将样品和掩模版装入投影光刻步进机（GCA AutoStep 200）中。对准样品并进行曝光。</li>
 <li>在热板上于 115 °C 对曝光后的光刻胶进行后烘烤，持续 90 秒。</li>
 <li>在 AZ 300 MIF 显影剂中显影 60 秒。</li>
 <li>立即用去离子水对样品进行4分钟的流水冲洗。用氮气吹干样品。</li>
 <li>将样品载入反应离子刻蚀仪（LAM 9400）中。刻蚀 SiO2 使用 500 W 的 TCP 射频功率、100 W 的偏置射频功率、15 sccm 的 SF6 和 50 sccm 的 C4F850 sccm 氦气，50 sccm 氩气，持续 80 秒。</li>
 <li>将样品置于丙酮中以去除大部分光刻胶（5 分钟），随后放入异丙醇中（2 分钟）。用去离子水冲洗（10 秒）。用氮气吹干。</li>
 <li>使用等离子去胶机（YES-CV200RFS）去除残余光刻胶。以800 W射频功率、30 °C、100 sccm氧气流量条件去除光刻胶2 流速持续5分钟。</li>
 </ol>
 </li>
 <li>制备天线和偏置线。
 <ol>
 <li>重复步骤 1.3.1 至 1.3.6，以制备天线和偏置线。</li>
 <li>重复步骤 1.1.8 - 1.1.9 以去除表面氧化物。</li>
 <li>将含有样品和去离子水的烧杯置于金属蒸发仪（Denton SJ-20）上。</li>
 <li>泄压后迅速取出样品，干燥并装入腔室。</li>
 <li>将腔室抽真空至压力低于 2x10⁻⁶ mbar。-6 Torr。沉积 Ti/Au（10/4,000 Å）。</li>
 <li>打开放气阀，取出样品。</li>
 <li>重复步骤 1.1.13，以剥离已沉积的金属。</li>
 </ol>
 </li>
 <li>包装样品。
 <ol>
 <li>将直径为12 mm的高半球形硅透镜边缘用胶粘剂固定在带有8 mm通孔的2英寸铝制垫圈上。</li>
 <li>将带有金属导线的印刷电路板（PCB）粘接到铝垫圈上，以便于进行焊接。</li>
 <li>使用薄层环氧树脂将制备的等离激元光电导太赫兹发射器原型固定在硅透镜上。</li>
 <li>将器件的焊盘与粘在相同铝垫圈上的印刷电路板（PCB）进行引线键合。</li>
 <li>将导线焊接到印刷电路板（PCB）的金属走线上。</li>
 <li>使用导线将设备的接触焊盘与参数分析仪（Hewlett Packard 4155A）连接，导线需焊接在PCB板上对应的焊盘上，用于测试目的。</li>
 </ol>
 </li>
</ol>

2. 等离激元光电导发射器的表征

<ol>
 <li>器件对准。
 <ol>
 <li>将承载等离激元光电导太赫兹发射器原型的铝制垫圈放置在旋转台上，并将钛宝石锁模激光器（MIRA 900D V10 XW OPT 110V）的光泵浦紧密聚焦到每个器件的有源区域。</li>
 <li>调节旋转台，使光泵浦的电场方向与等离激元光栅垂直，以高效激发表面等离激元波。</li>
 <li>使用参数分析仪同时向每个器件施加偏置电压，并测量各器件中产生的电流。通过最大化每个待测器件的光电流，确认光泵浦对准和偏振调节的最优状态。</li>
 </ol>
 </li>
 <li>输出功率测量。
 <ol>
 <li>使用光学斩波器（Thorlabs MC2000）对入射到每个器件上的锁模泵浦激光的光泵浦进行调制。</li>
 <li>使用热释电探测器（Spectrum Detector, Inc. SPI-A-65 THz）测量等离激元光电导太赫兹发射器原型的输出功率。</li>
 <li>将热释电探测器的输出连接至锁相放大器（Stanford Research Systems SR830），并使用光学斩波器的参考频率，以在低噪声水平下恢复太赫兹功率数据。</li>
 </ol>
 </li>
 <li>辐射光谱表征。
 <ol>
 <li>从钛宝石锁模激光器开始，使用分束器将锁模激光器的输出分为泵浦光束和探测光束。</li>
 <li>使用电光调制器（Thorlabs EO-AM-NR-C2）对泵浦光路中的光束进行调制。将泵浦光束聚焦到待测光电导发射器的有源区域，以产生太赫兹辐射。</li>
 <li>使用第一个聚乙烯球面透镜对产生的太赫兹光束进行准直。使用第二个聚乙烯球面透镜对准直后的太赫兹光束进行聚焦。</li>
 <li>在太赫兹光束聚焦前，使用ITO镀膜玻璃滤光片将准直的太赫兹光束与探测光束合并。</li>
 <li>在光学和太赫兹光束的共同焦点处，放置一块厚度为1 mm、&lt;110&gt;取向的ZnTe晶体，并将其安装在旋转台上。</li>
 <li>在探测光路中插入可控光学延迟线，使用电动线性位移台（Thorlabs NRT100）调节光学脉冲与太赫兹脉冲在ZnTe晶体内部相互作用的时间延迟。</li>
 <li>在探测光路中使用半波片，将探测光束的偏振方向旋转至相对于太赫兹偏振方向呈45°角。</li>
 <li>在ZnTe晶体后使用四分之一波片，将光束偏振转换为圆偏振。</li>
 <li>使用沃拉斯顿棱镜将圆偏振光束分成两束。使用两个连接至锁相放大器的平衡探测器分别测量每束光的光功率。</li>
 <li>将电动延迟线和锁相放大器连接至计算机。编写Matlab脚本，迭代移动电动延迟线的位置，暂停并读取锁相放大器的信号幅值。</li>
 <li>通过将总光学延迟长度除以光速，将位移台位置转换至时间域，随后进行离散傅里叶变换（使用Matlab），以获得频域数据。</li>
 </ol>
 </li>
</ol>

<ol><li>Preu, S., Dohler, G. H., Malzer, S., Wang, L. J., Gossard, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable%2C+continuous-wave+terahertz+photomixer+sources+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Tunable, continuous-wave terahertz photomixer sources and applications.</a> J. Appl. Phys. 109, 061301(2011).</li>
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<li>Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonant-optical-cavity+photoconductive+switch+with+0.5+%25+conversion+efficiency+and+1.0W+peak+power%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power.</a> Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).</li>
<li>Park, S. -G., Jin, K. H., Yi, M., Ye, J. C., Ahn, J., Jeong, K. -H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancement+of+Terahertz+Pulse+Emission+by+Optical+Nanoantenna%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+NANO%22%5BJournal%5D)">Enhancement of Terahertz Pulse Emission by Optical Nanoantenna.</a> ACS NANO. 6, 2026-2031 (2012).</li>
<li>Auston, D. H., Cheung, K. P., Smith, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Picosecond+photocoducting+Hertzian+dipoles%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Picosecond photocoducting Hertzian dipoles.</a> Appl. Phys. Lett. 45, 284-286 (1984).</li>
<li>Berry, C. W., Jarrahi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Terahertz+generation+using+plasmonic+photoconductive+gratings%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics+Focus+Issue+on+Terahertz+Plasmonics%22%5BJournal%5D)">Terahertz generation using plasmonic photoconductive gratings.</a> New Journal of Physics Focus Issue on Terahertz Plasmonics. 14, 105029(2012).</li>
<li>Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Significant+Radiation+Enhancement+in+Photoconductive+Terahertz+Emitters+by+Incorporating+Plasmonic+Contact+Electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">Significant Radiation Enhancement in Photoconductive Terahertz Emitters by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes.</a> arXiv. , 1209.1680v1(2012).</li>
<li>Berry, C. W., Jarrahi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+Photoconductors+based+on+Plasmonic+Gratings%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Int.+Conf.+Infrared%2C+Millimeter%2C+and+Terahertz+Waves%22%5BJournal%5D)">Ultrafast Photoconductors based on Plasmonic Gratings.</a> Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).</li>
<li>Berry, C. W., Jarrahi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonically-enhanced+localization+of+light+into+photoconductive+antennas%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Conf.+Lasers+and+Electro-Optics%22%5BJournal%5D)">Plasmonically-enhanced localization of light into photoconductive antennas.</a> Proc. Conf. Lasers and Electro-Optics. , CFI2(2010).</li>
<li>Berry, C. W., Jarrahi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Principles+of+impedance+matching+in+photoconductive+antennas%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Infrared%2C+Millimeter+and+Terahertz%22%5BJournal%5D)">Principles of impedance matching in photoconductive antennas.</a> Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz. , (2012).</li>
<li>Ralph, S. E., Grischkowsky, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trap-enhanced+electric+fields+in+semi-insulators%3A+The+role+of+electrical+and+optical+carrier+injection%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Trap-enhanced electric fields in semi-insulators: The role of electrical and optical carrier injection.</a> Appl. Phys. Lett. 59, 1972(1991).</li>
<li>Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Excitation-density-dependent+generation+of+broadband+terahertz+radiation+in+an+asymmetrically+excited+photoconductive+antenna%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna.</a> Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).</li>
<li>Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonant-optical-cavity+photoconductive+switch+with+0.5+%25+conversion+efficiency+and+1.0W+peak+power%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power.</a> Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).</li>
<li>Jarrahi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Terahertz+radiation-band+engineering+through+spatial+beam-shaping%5BTitle%5D)+AND+%22Photonic+Technology+Letters%22%5BJournal%5D)">Terahertz radiation-band engineering through spatial beam-shaping.</a> Photonic Technology Letters. 21, 2019620(2009).</li>
<li>Jarrahi, M., Lee, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+power+tunable+terahertz+generation+based+on+photoconductive+antenna+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+IEEE+International+Microwave+Symposium%22%5BJournal%5D)">High power tunable terahertz generation based on photoconductive antenna arrays.</a> Proc. IEEE International Microwave Symposium. , 391-394 (2008).</li>
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<li>Jackson, A. W., Ibbetson, J. P., Gossard, A. C., Mishra, U. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduced+thermal+conductivity+in+low-temperature+grown+GaAs%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Reduced thermal conductivity in low-temperature grown GaAs.</a> Appl. Phys. Lett. 74, 2325-2327 (1999).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

在本视频文章中，我们介绍了一种新型的光电导太赫兹产生技术，该技术采用等离激元接触电极结构，使光到太赫兹的转换效率提高了两个数量级。本文所展示的等离激元光电导发射器显著增强了太赫兹辐射功率，这对于未来用于高灵敏度化学识别、医学成像、生物传感、天文学、大气探测、安全筛查以及材料表征的太赫兹成像、光谱学和波谱分析系统具有重要价值。
本视频文章的重点是展示等离激元电极在增强超快光电导体中感应光电流以及光电导太赫兹发射器辐射太赫兹功率方面的影响。因此，在本演示中，光电导发射器结构、太赫兹辐射天线和偏置馈电方式的选择是任意的，该增强原理同样可广泛应用于各类光电导太赫兹发射器，无论其是否采用叉指接触电极，也无论其为脉冲式或连续波式工作的大面积光电导太赫兹发射器，均可借此提升辐射功率。在此基础上，通过采用谐振腔3, 16、增大器件有源区面积17-22，以及使用具有更高辐射电阻和带宽的天线23, 24，可进一步提升我们原型器件的输出功率。此外，文中所述的等离激元光电导体中的量子效率增强机制，也可用于提高光电导太赫兹探测器的响应度和检测...

我们提出一种新型光电导太赫兹发射器，该发射器采用等离激元接触电极结构，可将光到太赫兹的转换效率提高两个数量级。我们的技术解决了传统光电导太赫兹发射器最关键的局限性，即输出功率低和功率效率差的问题，这些问题源于传统光电导材料在高量子效率与超快运行之间的固有折衷关系。
在我们的设计中，实现这一跨越式性能提升的关键创新之一是设计一种接触电极结构，使大量光生载流子在靠近接触电极的区域聚集，从而可在亚皮秒时间尺度内完成收集。换句话说，通过空间调控光生载流子，缓解了光电导体超快响应与高量子效率之间的权衡问题。等离激元接触电极通过以下两个方面提供了这一独特能力：（1）使光场被局域在等离激元电极之间的纳米尺度器件有源区域（突破衍射极限）；（2）在金属接触层与光吸收半导体界面处实现极强的光场增强10, 11。我们方案的另一个重要特性是，在不显著增加太赫兹辐射天线寄生负载的前提下，可容纳较大的光电导有源区域。采用较大的光电导有源区域有助于缓解载流子屏蔽效应和热击穿问题，而这正是传统光电导辐射源最大辐射功率的根本限制因素。本视频文章重点阐述我们所提出方案的独特特性，内容涵盖其基本物理机制、数值建模及实验验证。我们通过实验验证，与具有非等离激元接触电极的类似光电导辐射源相比，等离激元光电导辐射源可产生高出50倍的太赫兹功率。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;试剂&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）</td><td>MicroChem</td><td>950K PMMA A4</td><td></td></tr><tr><td>六甲基二硅氮烷（HMDS）</td><td>Shin-Etsu MicroSI</td><td>MicroPrime HP 引物</td><td></td></tr><tr><td>光刻胶</td><td>陶氏化学</td><td>Megaposit SPR 220-3.0</td><td></td></tr><tr><td>光刻胶显影液</td><td>AZ电子材料</td><td>AZ 300 MIF 显影液</td><td></td></tr><tr><td>甲基异丁基甲酮（MIBK）</td><td>Avantor Performance Materials</td><td>9322-03</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;设备&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>钛宝石锁模激光器</td><td>相干的</td><td>MIRA 900D V10 XW OPT 110V</td><td></td></tr><tr><td>Pyr&amp;#8211;电检测器</td><td>光谱检测器</td><td>SPI-A-65 THz</td><td></td></tr><tr><td>电子束光刻设备</td><td>JEOL</td><td>JBX-6300-FS</td><td></td></tr><tr><td>等离子清洗机</td><td>Yield Engineering Systems</td><td>YES-CV200RFS</td><td></td></tr><tr><td>金属蒸发仪</td><td>Denton Vacuum</td><td>SJ-20</td><td></td></tr><tr><td>等离子体增强化学气相沉积设备 </td><td>GSI</td><td>GSI PECVD 系统</td><td></td></tr><tr><td>投影光刻步进机</td><td>GCA</td><td>AutoStep 200</td><td></td></tr><tr><td>反应离子刻蚀机</td><td>LAM Research</td><td>9400</td><td></td></tr><tr><td>参数分析仪</td><td>惠普</td><td>4155A</td><td></td></tr><tr><td>光学斩波器</td><td>Thorlabs</td><td>MC2000</td><td></td></tr><tr><td>锁相放大器</td><td>斯坦福研究系统</td><td>SR830</td><td></td></tr><tr><td>电光调制器</td><td>Thorlabs</td><td>EO-AM-NR-C2</td><td></td></tr><tr><td>电动线性平台</td><td>Thorlabs</td><td>NRT100</td><td></td></tr></tbody></table>

等离激元光电导太赫兹发射器的设计、制备与实验表征

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

在本视频文章中，我们详细演示了一种高效产生太赫兹波的方法。该技术基于光电导效应，这是目前太赫兹波产生中最常用的手段之一1-8。在光电导发射器中，通过使用脉冲激光或外差激光照射超快光电导材料来激发太赫兹波。所产生的光电流跟随泵浦激光的包络变化，并被引导至连接到光电导材料电极的太赫兹辐射天线，从而发射太赫兹辐射。尽管光电导发射器的量子效率在理论上可达100%，但由于传统光电导材料中光生载流子到达电极的输运路径较长，严重限制了其量子效率。此外，载流子屏蔽效应和热击穿也严格限制了传统光电导太赫兹源的最大输出功率。为克服传统光电导太赫兹发射器在量子效率方面的局限性，我们提出了一种新型光电导发射器结构，采用等离激元电极构型，可同时实现高量子效率与超快运行。通过使用纳米尺度的等离激元电极，我们显著缩短了光生载流子到达光电导电极的平均输运路径，相较于传统光电导材料大幅优化9。该方法还可在不显著增加天线电容负载的前提下扩大光电导活性区域，从而在高光泵浦功率下避免载流子屏蔽效应和热击穿，提升太赫兹辐射的最大输出功率。通过引入等离激元电极结构，我们实现了将传统光电导太赫兹发射器的光-太赫兹功率转换效率提高50倍10。

为了展示等离激元电极在太赫兹功率增强方面的潜力，我们制备了两种太赫兹发射器：一种传统的（图1a）和一种采用等离激元接触电极以缩短载流子输运至电极时间的等离激元（图1b）光电导发射器。两种设计均包含一个超快光电导材料，其阳极与阴极接触点之间具有20 μm的间隙，并连接至一个长度为60 μm的蝶形天线，该天线的最大和最小宽度分别为100 μm和30 μm，均在同一块低温生长的GaAs（LT-GaAs）衬底上制备而成。等离激元光电导发射器在蝶形天线的输入端集成了两个纳米尺度的等离激元接触光栅。优化等离激元接触电极结构的设计策略是：在最大化泵浦光向光电吸收衬底透射的同时，尽可能减小等离激元电极之间的间距，从而最小化光生载流子到接触电极的平均输运路径长度。我们使用多物理场有限元求解器（COMSOL）来估算具有所设计等离激元接触电极的光电导器件对入射光学泵浦的响应。为此，光生载流子密度由光电吸收衬底中计算得到的光强分布推导得出，并结合经典漂移-扩散模型中的偏置电场数据，用于计算感应光电流9。优先选择在泵浦光波长处具有强等离激元特性的金属，因为它们能够在金属界面...

我们介绍了等离激元光电导发射器的设计、制备及实验表征方法，其太赫兹输出功率比传统光电导发射器高出两个数量级。

在本视频文章中，我们将详细展示一种高效产生太赫兹波的方法。该技术基于……

本实验的总体目标是展示一种高效产生太赫兹辐射的方法。该方法通过在光电导太赫兹发射器中引入等离激元接触电极，实现高量子效率与超快器件运行的同步达成。第一步是利用电子束光刻技术制备等离激元光电导发射器原型。接下来，测量所制备的发射器原型的辐射功率，并与未采用等离激元电极的相同传统光电导太赫兹发射器进行比较。最后一步是表征等离激元光电导太赫兹发射器原型辐射的光谱特性。最终获得的结果表明，在光电导发射器中引入等离激元电极可使辐射功率和效率提高两个数量级。该方法有助于解决传统导电太赫兹发射器（TERs）的主要局限性，即高量子效率与超快运行速度之间的权衡问题。对于导体而言，传统的光电导太赫兹发射器由一个太赫兹天线与超快光电导体集成构成。当具有太赫兹频率成分的光泵浦光束聚焦于超快光电导体时，该天线会产生电流传导。此光束产生的光生载流子速率与光泵浦脉冲的包络成正比。在外加偏置电场的作用下，光生载流子向接触电极漂移，从而向天线馈电并产生太赫兹辐射。与传统的光电导太赫兹发射器相比，等离激元器件的主要优势在于，它能够在等离激元接触电极附近聚集数量多得多的光生载流子。这些载流子随后可在亚皮秒时间尺度内漂移至太赫兹天线。等离激元接触电极之所以能够实现更高的载流子积累，是因为它们可将光限制在纳米尺度的器件有源区域中，并在金属接触层与光吸收半导体界面处提供极强的光场增强效应。首先，使用电子束光刻技术制备纳米尺度的等离激元接触电极，随后进行金属沉积和剥离。接下来，采用等离子体增强化学气相沉积法在表面沉积一层二氧化硅钝化层，并通过光学光刻和干法等离子体刻蚀在二氧化硅层中刻蚀出通向接触电极的通孔。最后，使用光学光刻技术对天线和偏置线路进行图形化，随后进行金属沉积和剥离。我实验室的研究生 Christopher Berry 将演示该光栅表征流程。在制备等离激元光栅后，必须对其进行封装和表征。这些器件被安装在一个硅透镜上，该透镜固定在铝制垫圈上，随后置于旋转支架上。将钛宝石锁模激光器的光泵浦光束紧密聚焦于器件的有源区域。调节旋转支架，使光泵浦的电场方向垂直于等离激元光栅，以高效激发表面等离激元波。随后使用参数分析仪，同时向器件施加偏置电压并测量其产生的电流。通过最大化器件的光电流，确保泵浦光的最佳准直和偏振。为测量输出功率，使用光学斩波器对入射到器件上的锁模泵浦激光束进行调制，并将热释电探测器的输出连接至锁-in放大器。利用光学斩波器的参考频率，使用热释电探测器测量等离激元太赫兹发射器原型的输出功率。开始光谱表征时，采用钛宝石锁模激光器输出的光束，通过分束器将其分为泵浦光束和探测光束，并使用电光调制器对泵浦光路中的光束进行调制。将泵浦光束聚焦到待测发射器的有源区域上。为了产生太赫兹辐射，使用聚乙烯球面透镜将生成的太赫兹光束聚焦于其焦平面之前的一点处，并利用镀有氧化铟锡的玻璃滤光片支架将该光束与光学探针光束合并，将一块厚度为一毫米的碲锌晶体安装在旋转台上。将此装置置于光学光束与太赫兹光束的共同焦点处，以调节在碲锌晶体中相互作用的光学脉冲与太赫兹脉冲之间的时间延迟。通过使用电动线性平台，在光学探针光路中插入可控的光学延迟线。在探测光路中使用半波片，将光学探测光的偏振方向相对于ertz偏振方向旋转至45度。接着，在碲化锌晶体后使用四分之一波片，将光学光束的偏振转换为圆偏振。然后，利用沃林棱镜将圆偏振的光学光束分成两个分支。使用两个连接到锁相放大器的平衡探测器，测量每个分支中的光束功率。用于实验控制和数据采集，将电动延迟线和锁相放大器连接到计算机，并编程以迭代方式移动电动延迟线。暂停并从锁相放大器读取数据。此处所示的放大器为已制备和测试的传统左侧发射器与等离激元右侧发射器的示例。二者的区别在于，等离激元发射器在蝶形天线的输入端口处集成了两个纳米尺度的等离激元接触梯度结构，如右图插图所示，为入射光方向。将光泵浦紧密聚焦于每个制备的器件上，并定位在阳极接触电极附近，以最大化辐射功率。同时选择每个器件的光场方向，以进一步最大化辐射功率。图中以蓝色显示的是等离激元太赫兹发射器测得的太赫兹辐射功率随光泵浦功率变化的关系。红色曲线对应传统发射极，纵轴为对数坐标。插图采用相同的颜色方案，显示光电流随光泵浦功率的变化关系。显著增强的辐射功率源于采用等离激元接触电极时产生的更高光电流水平。此处，针对不同的偏置电压和光泵浦功率，将测得的太赫兹辐射功率与收集到的光电流进行对比绘图。同样，蓝色代表等离激元发射器，红色代表传统发射器。所有数据点均被拟合到同一条斜率为2的曲线上。这证实了辐射功率与感应光电流的平方关系，并表明两个发射器在所有工作条件和天线特性上均相同。此处展示的赫兹功率增强定义为等离激元赫兹发射器相对于传统赫兹发射器所发射的赫兹功率之比，其随偏置电压的变化关系在不同光泵浦功率水平下呈现。在低光泵浦功率水平和30伏偏置电压下，观测到输出功率增强因子高达50。在较高的光泵浦功率水平和较高电压下，增强因子略有下降。这可以通过载流子筛选效应来解释，该效应应更显著地影响等离激元光电导体，因为后者会产生更多的光电流，并分离出更多的电子-空穴对。该图显示了等离激元光电导发射器在时域中辐射的功率。该数据是在对锁模钛宝石激光器发出的200飞秒光学脉冲响应下测得的，该激光器中心波长为800纳米，重复频率为76兆赫。频域中的辐射功率在 0.35 ertz 和 0.55 ertz 附近显示出峰值，这些峰值与领结天线的谐振峰相关。在 0.1 太赫兹附近的峰值则与由领结天线偏置线形成的偶极子天线的谐振峰相关。在本视频中，我们介绍了一种新颖的光电导太赫兹产生技术，该技术采用等离激元接触电极结构，使光到太赫兹的转换效率提高了两个数量级。所展示的等离激元光电导发射器在太赫兹辐射功率上的显著提升，对于未来实现高灵敏度太赫兹成像光谱学与光谱分析系统具有重要价值，可广泛应用于高级化学识别、医学成像、生物传感、天文观测、安全检查及材料表征等领域。

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学习利用等离子体光电导发射器产生太赫兹辐射的高效方法，通过电子束光刻技术制造原型器件。该技术可将辐射功率和效率提升两个数量级，为太赫兹成像与光谱学应用提供重要价值。

等离激元光电导太赫兹发射器的设计、制备与实验表征

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