Plasmonic의 광전 테라 헤르츠 터의 설계, 제작 및 실험 특성

이 절차의 전반적인 목표는 테라헤르츠 방사선을 생성하는 매우 효율적인 방법을 시연하는 것입니다. 이는 광전도성 ertz 이미터에 플라즈몬 접촉 전극을 통합하여 높은 양자 효율과 초고속 장치 작동을 동시에 가능하게 함으로써 달성됩니다. 첫 번째 단계는 전자빔 리소그래피를 사용하여 플라즈몬 광 전도성 이미터 프로토타입을 제작하는 것입니다.

다음으로, 구현된 이미터 프로토타입의 방사선 전력을 측정하고 플라즈몬 전극이 없는 동일한 기존 광전도성 ertz 이미터와 비교합니다. 마지막 단계는 플라즈몬 광전도성 ertz 이미터 프로토타입에서 나오는 방사선의 스펙트럼 특성을 특성화하는 것입니다. 궁극적으로, 광전도성 이미터에 플라즈몬 전극을 통합하면 방사선 출력과 효율이 두 자릿수 향상될 수 있음을 보여주는 결과가 얻어졌습니다.

이 방법은 전도성 ertz TER에 대한 기존 방식의 주요 제한 사항을 해결하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 기존 방식의 높은 양자 효율과 초고속 작동 간의 절충안입니다. 지휘자를 위해. 기존의 광전도성 ertz 이미터는 초고속 광전도체와 통합된 ertz 안테나로 구성됩니다. 테라헤르츠.

테라헤르츠 주파수 성분이 있는 광학 펌프 빔이 초고속 포토 컨덕터에 집중될 때 이 안테나에 전류가 생성됩니다. 이 빔은 광학 펌프의 엔벨로프에 비례하는 속도로 포토 캐리어를 생성합니다. 바이어스 전기장의 적용으로 광 캐리어는 접촉 전극쪽으로 표류하여 안테나에 공급되고 ertz 방사선을 생성합니다.

기존의 광전도성 ertz 이미터에 비해 플라즈모닉의 주요 장점은 플라즈몬 접촉 전극에 근접하여 훨씬 더 많은 수의 광생성 캐리어를 축적할 수 있다는 것입니다. 그런 다음 이러한 반송파는 피코초 미만의 시간 척도 내에서 ertz 안테나로 드리프트할 수 있습니다. 플라즈몬 접촉 전극은 나노 크기의 소자 활성 영역에서 광을 가둘 수 있고 금속 접촉 및 광흡수 반도체 계면에서 탁월한 광 향상을 제공하기 때문에 이러한 더 큰 캐리어 축적을 달성합니다.

플라즈몬 광전도성 공포 방출기 첫 번째 패턴을 구현하기 위해 나노 스케일 플라즈몬 접촉 전극은 전자빔 리소그래피를 사용한 후 금속 증착 및 리프트오프를 수행합니다. 다음으로, 광학 포토리소그래피 및 건식 플라즈마 에칭을 사용하여 이산화규소 층을 통해 플라즈마 강화 화학 기상 증착 에칭 접촉을 사용하여 이산화규소 층을 증착합니다. 마지막으로, 광학 리소그래피를 사용하여 안테나와 바이어스 라인을 패턴화한 다음 금속 증착 및 리프트오프를 수행합니다.

제 연구실의 대학원생인 Christopher Berry가 rahter 특성화 절차를 시연할 것입니다. 플라즈몬 등급을 제작한 후에는 포장하고 특성화해야 합니다. 이 장치는 알루미늄 와셔에 부착된 실리콘 렌즈에 장착된 다음 회전 마운트에 배치됩니다.

티타늄 사파이어 모드 고정 레이저의 광학 펌프 빔을 장치의 활성 영역에 단단히 집중시킵니다. 표면 플라즈마파의 효율적인 여기를 위해 광학 펌프의 전기장이 플라즈몬 등급에 수직이 되도록 회전 마운트를 조정합니다. 이제 파라메트릭 분석기를 사용하여 장치에 바이어스 전압을 가하는 동시에 유도 전류를 측정합니다.

장치의 광전류를 최대화하여 최적의 펌프 정렬 및 분극을 보장합니다. 출력 전력을 측정하려면 광학 초퍼를 사용하여 장치에 입사하는 모드 잠금 펌프 레이저의 빔을 변조합니다. 초전기 감지기의 출력을 락인(lock-in) 증폭기에 연결합니다.

광학 초퍼의 기준 주파수를 사용하여 초전기 검출기를 사용하여 플라즈몬 테라헤르츠 이미터 프로토타입의 출력 전력을 측정합니다. 티타늄 사파이어 모드 잠금 레이저에서 빔을 가져와 빔 스플리터를 사용하여 펌프 빔으로 분할하고 프로브 빔은 전기 광학 변조기로 펌프 경로의 빔을 변조하여 스펙트럼 특성화를 시작합니다. 펌프 빔을 테스트 중인 이미터의 활성 영역에 초점을 맞춥니다.

테라헤르츠 방사선을 생성하려면, 폴리에틸렌 구형 렌즈를 사용하여 생성된 ertz 빔을 ertz 빔의 초점면 앞 지점에 초점을 맞추고, 인듐 주석 코팅 유리 필터를 사용하여 광학 프로브 빔과 결합하고, 회전 스테이지에 1mm 두께의 텔루라이드 아연 결정을 장착합니다. 이것을 광학 빔과 테라헤르츠 빔의 결합된 초점에 배치하여 아연 텔루라이드 결정에서 상호 작용하는 광학 펄스와 테라헤르츠 펄스 사이의 시간 지연을 변경합니다. 전동 선형 스테이지를 사용하여 광학 프로브 경로에 제어 가능한 광학 지연선을 삽입합니다.

프로브 빔 경로에서 반파장 플레이트를 사용하여 광학 프로브의 편광을 ertz 편광 방향에 대해 45도 회전합니다. 다음으로, 아연 텔루라이드 결정 뒤에 1/4 파장판을 사용하여 광학 빔 편광을 원형 편광으로 변환합니다. 그런 다음 원형 편광 광학 빔을 wallin 프리즘을 사용하여 두 개의 분기로 분할합니다.

lock-in) 증폭기에 연결된 두 개의 평형 검출기를 사용하여 각 분기의 광학 빔 전력을 측정합니다. 실험 제어 및 데이터 수집용. 전동 지연 라인을 연결하고 전동 지연 라인을 반복적으로 이동하도록 프로그래밍된 컴퓨터에 증폭기를 고정합니다.

잠금을 일시 중지하고 데이터를 읽습니다. 여기에 표시된 증폭기는 제작 및 테스트된 기존의 좌측 및 플라즈몬 우측 이미터의 예입니다. 차이점은 플라즈몬 이미터는 사건 오른쪽의 삽입물과 같이 나비 넥타이 안테나의 입력 포트에 두 개의 나노 스케일 플라즈몬 접촉 등급을 통합한다는 것입니다.

광학 펌프는 제작된 각 장치에 단단히 집중되었으며 복사 전력을 최대화하기 위해 양극 접촉 전극 근처에 위치했습니다. 방사 전력을 최대화하기 위해 각 장치에 대한 광학 전기장의 방향도 선택되었습니다. 파란색으로 표시된 것은 광학 펌프 전력의 함수로서 플라즈몬 테라헤르츠 이미터에서 측정된 테 헤르츠 방사 전력입니다.

빨간색 곡선은 기존 이미터 노트에 대한 것이고 수직 축은 로그입니다. 삽입은 동일한 색 구성표를 사용하여 광 펌프 전원의 함수로 광전류를 표시합니다. 상당한 방사선 출력 향상은 플라즈몬 접촉 전극을 사용할 때 생성되는 더 높은 광전류 수준 때문입니다.

여기서, 측정된 테라헤르츠 방사선 전력은 다양한 바이어스 전압 및 광학 펌프 전력에 대해 수집된 광 전류에 대해 플롯됩니다. 다시 말하지만, 파란색은 기존 이미터에 대한 플라즈모닉 이미터 빨간색에 해당합니다. 데이터 점은 모두 기울기가 2인 동일한 선에 맞춰진 곡선입니다.

이는 유도 된 광 전류에 대한 복사 전력의 2 차 의존성과 모든 작동 조건과 안테나 속성이 두 이미 터에 대해 동일하다는 사실을 확인합니다. 플라즈몬 ertz 이미터에 의해 방출되는 ertz 전력의 비율로서 정의되는 ertz 전력 향상은 낮은 광학 펌프 전력 레벨에서 상이한 광학 펌프 전력 레벨에 대한 바이어스 전압의 함수로서 여기에 나타나 있으며, 30 볼트의 바이어스 전압 출력 전력 향상 계수는 최대 50까지 관찰됩니다. 향상 계수는 더 높은 광학 펌프 출력 수준과 더 높은 전압에서 약간 감소합니다.

이것은 캐리어 스크리닝 효과로 설명할 수 있으며, 이는 더 많은 광전류를 생성하고 더 많은 수의 전자 정공 쌍을 분리하기 때문에 플라즈몬 광 전도체에 더 많은 영향을 미칠 것입니다. 이 플롯은 플라즈몬 광 전도성 이미터의 시간 영역에서 방사된 전력을 보여줍니다. 이 데이터는 800나노미터 중심 파장과 76메가헤르츠 반복률을 가진 모드 잠금 티타늄 사파이어 레이저의 200펨토초 광학 펄스에 대한 응답으로 측정되었습니다.

주파수 영역에서 방사 전력은 나비 넥타이 안테나의 공진 피크와 관련된 약 0.35 ertz 및 0.55 ertz 부근의 피크를 보여줍니다. 약 0.1테라헤르츠 피크는 나비 넥타이 안테나 바이어스 라인에 의해 형성된 다이폴 안테나의 공진 피크와 관련이 있습니다. 이 비디오에서는 플라즈몬 접촉 전극 구성을 사용하여 광에서 rah Hz로의 변환 효율을 두 자릿수로 향상시키는 새로운 광전도성 rah Hz 생성 기술을 제시합니다.

제시된 플라즈몬 광전도성 이미터에서 rah Hz 방사선 출력의 현저한 증가는 첨단 화학 식별, 의료 이미징, 생물학적 감지, 천문학, 보안 검사 및 재료 특성화를 위한 미래의 고감도 테라헤르츠 이미징 분광학 및 분광 시스템에 매우 유용합니다.