Konstruktion, Fertigung und experimentelle Charakterisierung Plasmonic Photoconductive Terahertz-Emitter

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine hocheffiziente Methode zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung zu demonstrieren. Dies wird durch den Einbau plasmonischer Kontaktelektroden in photoleitfähige Ertz-Emitter erreicht, um eine hohe Quanteneffizienz und einen ultraschnellen Gerätebetrieb gleichzeitig zu ermöglichen. Der erste Schritt besteht darin, Prototypen von plasmonischen photoleitenden Emittern mittels Elektronenstrahllithographie herzustellen.

Anschließend wird die Strahlungsleistung der implementierten Emitter-Prototypen gemessen und mit identischen konventionellen photoleitenden Ertz-Emittern ohne plasmonische Elektroden verglichen. Der letzte Schritt besteht darin, die spektralen Eigenschaften der Strahlung von plasmonischen photoleitenden Ertz-Emitter-Prototypen zu charakterisieren. Letztendlich werden Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass der Einbau von plasmonischen Elektroden in einen photoleitenden Emitter die Strahlungsleistung und den Wirkungsgrad um zwei Größenordnungen erhöhen könnte.

Diese Methode kann dazu beitragen, die Haupteinschränkung konventioneller für leitfähige ertz TERs zu beheben, nämlich den Kompromiss zwischen hoher Quanteneffizienz und ultraschnellem Betrieb konventioneller TERs. Für die Dirigenten. Herkömmliche fotoleitende Ertz-Strahler bestehen aus einer Ertz-Antenne, die mit einem ultraschnellen Fotoleiter integriert ist. Terahertz.

Für diese Antenne werden elektrische Ströme erzeugt, wenn ein optischer Pumpstrahl mit Terahertz-Frequenzanteilen auf den ultraschnellen Fotoleiter fokussiert wird. Dieser Strahl erzeugt Fototräger mit einer Rate, die proportional zur Hüllkurve der optischen Pumpe ist. Durch das Anlegen eines elektrischen Bias-Feldes driften die Phototräger in Richtung der Kontaktelektroden, speisen die Antenne und erzeugen Ertz-Strahlung.

Der Hauptvorteil plasmonischer Ertz-Emitter gegenüber herkömmlichen photoleitenden Ertz-Emittern besteht darin, dass sie die Akkumulation einer viel größeren Anzahl von photoerzeugten Ladungsträgern in unmittelbarer Nähe der plasmonischen Kontaktelektroden ermöglichen. Diese Träger können dann innerhalb einer Zeitskala von weniger als einer Pikosekunde zur Ertz-Antenne driften. Plasmonische Kontaktelektroden erreichen diese größere Ladungsträgerakkumulation, weil sie den Einschluss von Licht in nanoskaligen aktiven Bereichen ermöglichen und eine außergewöhnliche Lichtverstärkung an der Metallkontakt- und lichtabsorbierenden Halbleitergrenzfläche bieten.

Um ein plasmonisches photoleitfähiges Terror-Herzemitter-Muster zu implementieren, werden die nanoskaligen plasmonischen Kontaktelektroden mittels Elektronenstrahllithographie gefolgt von Metallabscheidung und Abheben verwendet. Als nächstes scheidet man eine Siliziumdioxid-Ationsschicht unter Verwendung von plasmaverstärkter chemischer Gasphasenabscheidung und Ätzkontakt durch die Siliziumdioxidschicht unter Verwendung von optischer Photolithographie und trockenem Plasmaätzen ab. Zum Schluss strukturieren Sie die Antennen und Bias-Linien mit optischer Lithographie, gefolgt von der Metallabscheidung und dem Abheben.

Christopher Berry, ein Doktorand aus meinem Labor, wird das Verfahren zur besseren Charakterisierung demonstrieren. Nach der Herstellung der plasmonischen Sortierung muss sie verpackt und charakterisiert werden. Die Geräte werden auf eine Silikonlinse montiert, die an einer Aluminiumscheibe befestigt ist, und dann auf eine Rotationshalterung gesetzt.

Fokussieren Sie den optischen Pumpstrahl eines Titan-Saphir-Lasers fest auf den aktiven Bereich des Geräts. Stellen Sie die Rotationshalterung so ein, dass das elektrische Feld der optischen Pumpe senkrecht zu den plasmonischen Abstufungen steht, um eine effiziente Anregung von Oberflächenplasmawellen zu ermöglichen. Verwenden Sie nun den parametrischen Analysator, um gleichzeitig eine Bias-Spannung an das Gerät anzulegen und den induzierten elektrischen Strom zu messen.

Stellen Sie die optimale Ausrichtung und Polarisation der Pumpe sicher, indem Sie den Fotostrom des Geräts maximieren. Um die Ausgangsleistung zu messen, verwenden Sie einen optischen Chopper, um den Strahl des auf das Gerät einfallenden modengekoppelten Pumplasers zu modulieren. Verbinden Sie den Ausgang eines pyroelektrischen Detektors mit einem Lock-in-Verstärker.

Verwenden Sie den pyroelektrischen Detektor unter Verwendung der Referenzfrequenz des optischen Choppers, um die Ausgangsleistung des Prototyps des plasmonischen Terahertz-Emitters zu messen. Beginnen Sie mit der spektralen Charakterisierung, indem Sie den Strahl eines Titan-Saphir-Moden-Locked-Lasers nehmen und ihn mit einem Strahlteiler in einen Pumpstrahl aufteilen, und einen Sondenstrahl modulieren Sie den Strahl im Pumppfad mit einem elektrooptischen Modulator. Fokussieren Sie den Pumpstrahl auf die aktive Fläche des zu prüfenden Strahlers.

Um Terahertz-Strahlung zu erzeugen, fokussieren Sie den erzeugten Ertz-Strahl unter Verwendung einer sphärischen Polyethylen-Linse auf einen Punkt vor der Fokusebene des Ertz-Strahls, kombinieren Sie ihn mit dem optischen Sondenstrahl unter Verwendung eines mit Indiumzinnoxid beschichteten Glasfilters, der einen ein Millimeter dicken Zinktelluridkristall auf einem Rotationstisch montiert. Platzieren Sie dies im kombinierten Fokus des optischen und des Terahertz-Strahls, um die Zeitverzögerung zwischen den optischen und Terahertz-Impulsen, die im Zink-Telluridkristall interagieren, zu variieren. Fügen Sie eine steuerbare optische Verzögerungsleitung in den optischen Sondengang ein, indem Sie einen motorisierten Lineartisch verwenden.

Verwenden Sie eine Halbwellenplatte im Sondengang, um die Polarisation der optischen Sonde so zu drehen, dass sie um 45 Grad relativ zur Ertz-Polarisationsrichtung liegt. Verwenden Sie als Nächstes eine Viertelwellenplatte nach dem Zinktelluridkristall, um die Polarisation des optischen Strahls in eine zirkulare Polarisation umzuwandeln. Teilen Sie dann den zirkular polarisierten optischen Strahl mit einem Wallin-Prisma in zwei Äste.

Messen Sie die Leistung des optischen Strahls in jedem Zweig mit zwei symmetrischen Detektoren, die mit einem Lock-in-Verstärker verbunden sind. Für die Versuchssteuerung und Datenerfassung. Verbinden Sie die motorisierte Delay-Leitung und den Verstärker mit dem Computer, der so programmiert ist, dass er die motorisierte Delay-Leitung iterativ bewegt.

Anhalten und Lesen von Daten aus dem Lock-in. Die hier gezeigten Verstärker sind Beispiele für die konventionellen linken und plasmonischen rechten Emitter, die hergestellt und getestet wurden. Der Unterschied besteht darin, dass der plasmonische Emitter zwei nanoskalige plasmonische Kontaktabstufungen in der Eingangsöffnung der Fliegenantenne enthält, wie auf dem Einschub rechts vom Einfall gezeigt.

Die optische Pumpe wurde eng auf jedes hergestellte Gerät fokussiert und in der Nähe der Anodenkontaktelektrode positioniert, um die Strahlungsleistung zu maximieren. Die Ausrichtung des optischen elektrischen Feldes für jedes Gerät wurde ebenfalls gewählt, um die abgestrahlte Leistung zu maximieren. In Blau ist die gemessene Te-Hertz-Strahlungsleistung des plasmonischen Terahertz-Emitters in Abhängigkeit von der optischen Pumpleistung dargestellt.

Die rote Kurve ist für den konventionellen Emitter, die vertikale Achse ist logarithmisch. Das Einschub verwendet das gleiche Farbschema, um den Fotostrom in Abhängigkeit von der Leistung der optischen Pumpe anzuzeigen. Die signifikante Erhöhung der Strahlungsleistung ist auf die höheren Photoströme zurückzuführen, die beim Einsatz von plasmonischen Kontaktelektroden erzeugt werden.

Hier wird die gemessene Terahertz-Strahlungsleistung gegen den gesammelten Photostrom für verschiedene Vorspannungen und optische Pumpleistungen aufgetragen. Auch hier entspricht Blau dem plasmonischen Emitter, Rot dem konventionellen Emitter. Die Datenpunkte sind alle Kurven, die an dieselbe Linie mit einer Steigung von zwei angepasst sind.

Dies bestätigt die quadratische Abhängigkeit der Strahlungsleistung vom induzierten Photostrom und die Tatsache, dass alle Betriebsbedingungen und Antenneneigenschaften für die beiden Emitter gleich sind. Die Ertz-Leistungsverstärkung, definiert als das Verhältnis der vom plasmonischen Ertz-Emitter emittierten Ertz-Leistung zum konventionellen Ertz-Emitter, wird hier als Funktion der Vorspannung für verschiedene optische Pumpleistungspegel bei niedrigen optischen Pumpleistungspegeln und einer Vorspannung von 30 Volt dargestellt, wobei Ausgangsleistungssteigerungsfaktoren bis zu 50 beobachtet werden. Der Verstärkungsfaktor nimmt bei höheren optischen Pumpleistungen und höheren Spannungen leicht ab.

Dies kann durch den Carrier-Screening-Effekt erklärt werden, der den plasmonischen Photoleiter stärker beeinflussen sollte, da er mehr Photostrom erzeugt und eine größere Anzahl von Elektronen-Loch-Paaren trennt. Dieses Diagramm zeigt die abgestrahlte Leistung im Zeitbereich des plasmonischen photoleitenden Emitters. Er wurde als Reaktion auf einen optischen Puls von 200 Femtosekunden von einem modengekoppelten Titan-Saphir-Laser mit einer zentralen Wellenlänge von 800 Nanometern und einer Wiederholrate von 76 Megahertz gemessen.

Die Strahlungsleistung im Frequenzbereich weist Spitzen um 0,35 ertz und 0,55 ertz auf, die mit den Resonanzspitzen der Fliegeantenne verbunden sind. Der Peak um 0,1 Terahertz ist mit dem Resonanzpeak der Dipolantenne verbunden, der durch die Bias-Leitungen der Fliegeantenne gebildet wird. In diesem Video stellen wir eine neuartige fotoleitende Technik zur Erzeugung von Rah-Hz vor, die eine plasmonische Kontaktelektrodenkonfiguration verwendet, um die Effizienz der Umwandlung von Optiken in Rah-Hz um zwei Größenordnungen zu verbessern.

Die signifikante Erhöhung der rah Hz-Strahlungsleistung durch den vorgestellten plasmonischen photoleitenden Emitter ist sehr wertvoll für zukünftige hochempfindliche Terahertz-Bildgebungsspektroskopie und Spektrometriesysteme für die fortschrittliche chemische Identifizierung, medizinische Bildgebung, biologische Sensorik, Astronomie, Sicherheitsscreening und Materialcharakterisierung.