Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

עיצוב, ייצור, וניסויית אפיון של פולטי Terahertz פוטו Plasmonic

Published: July 8, 2013 doi: 10.3791/50517
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Electrical Engineering and Computer Science Department, University of Michigan

Summary

אנו מתארים שיטות לעיצוב, הייצור, והאפיון ניסיוני של פולטי photoconductive plasmonic, אשר מציעים שני סדרי גודל רמות העצמה גבוהות יותר בהשוואה לterahertz emitters photoconductive קונבנציונלי.

Abstract

במאמר זה אנו מציגים סרטון הדגמה מפורטת של שיטה יעילה ביותר ליצירת גלי terahertz. הטכניקה שלנו מבוססת על photoconduction, אשר כבר אחת הטכניקות הנפוצות ביותר לterahertz דור 1-8. דור Terahertz בפולט photoconductive מושגת על ידי שאיבת הפוטוקונדוקטור ultrafast עם תאורת לייזר פעם או heterodyned. פוטוני המושרה, העוקב את המעטפה של לייזר המשאבה, מנותב לאנטנה קורנת terahertz המחוברת לאלקטרודות קשר Photoconductor ליצור terahertz קרינה. למרות היעילות הקוונטית של פולט photoconductive יכולה תיאורטית להגיע ל -100%, באורכי נתיב התחבורה הארוכים יחסי של נשאי תמונה שנוצרו לאלקטרודות הקשר של photoconductors הקונבנציונליים מוגבלים היעילות הקוונטית שלהם בחומרה. בנוסף, השפעת הקרנת המנשא והתפלגות תרמית להגביל עמ התפוקה המקסימלית בקפדנותower מקורות terahertz photoconductive קונבנציונליים. כדי לענות על מגבלות היעילות הקוונטית של פולטי terahertz photoconductive קונבנציונליים, פיתחנו קונספט פולט photoconductive חדש אשר משלב תצורת מגע אלקטרודה plasmonic להציע קוונטי יעילות גבוהה ותפעול ultrafast בו זמנית. על ידי שימוש באלקטרודות קשר plasmonic בקנה מידה ננו, אנחנו להפחית באופן משמעותי את הדרך הממוצעת תמונה שנוצר ספק תחבורה לאלקטרודות קשר Photoconductor לעומת photoconductors קונבנציונלי 9. השיטה שלנו גם מאפשרת הגדלת אזור פעיל הפוטוקונדוקטור ללא עלייה משמעותית בטעינת קיבולי לאנטנה, לחיזוק כוח terahertz הקרינה המרבי על ידי מניעת השפעת מנשא ההקרנה ופירוק תרמי בסמכויות משאבה אופטיות גבוהות. על ידי אלקטרודות המשלבות מגע plasmonic, אנחנו מדגימים שיפור יעילות המרת כוח אופטי לterahertz של photoconductive te קונבנציונליפולט rahertz בפקטור של 50 10.

Introduction

אנו מציגים פולט terahertz photoconductive רומן שמשתמש בתצורת אלקטרודה קשר plasmonic על מנת לשפר את יעילות ההמרה אופטית לterahertz על ידי שני סדרי גודל. הטכניקה שלנו מטפלת במגבלות החשובות ביותר של פולטים קונבנציונליים photoconductive terahertz, הספק כלומר נמוך ויעילות צריכת חשמל ירודה, שמקורם מהאיזון המובנה בין יעילות הקוונטית גבוהה ופעולה מהירה של photoconductors הקונבנציונלית.

אחד החידושים המרכזיים בעיצוב שלנו, שהביאו לשיפור ביצועים זו קפיצת המדרגה היא לעצב תצורת אלקטרודה קשר שמצטברת במספר גדול של נושאי צילום שנוצרו בסמיכות להאלקטרודות המגע, כזו שהם יכולים להיות שנאספו במסגרת תת picosecond לוח זמנים. במילים אחרות, האיזון בין פעולת ultrafast הפוטוקונדוקטור ויעילות הקוונטית גבוהה מרוכך באמצעות מניפולציה המרחבי של צילום הסוגיםספקי טד. אלקטרודות קשר Plasmonic מציעות יכולת ייחודית זו על ידי (1) המאפשרת כליאת אור לאזורים פעילים בקנה מידה ננומטרי מכשיר בין האלקטרודות plasmonic (מעבר לגבול השתברות), (2) שיפור אור יוצא דופן במגע המתכת וצילום קליטת המוליכים למחצה 10 ממשק, 11. מאפיין נוסף חשוב של הפתרון שלנו הוא שזה יכול להכיל אזורים פעילים Photoconductor גדולים ללא עלייה משמעותית בטעינה הטפילה לאנטנה הקורנת terahertz. אזורי Photoconductor פעילים גדולים ניצול לאפשר מקלים השפעת מנשא ההקרנה והתפלגות תרמית, שהם המגבלות האולטימטיביות לכוח הקרינה המקסימאלי מפולטי photoconductive קונבנציונליים. מאמר זה וידאו מרוכז בתכונות הייחודיות של הפתרון שהוצג על ידי שלנו מתאר את הפיזיקה השולטים, מודלים מספריים, ואימות ניסיוני. אנחנו בניסוי מדגימים 50 פעמים סמכויות terahertz גבוהות יותר מאוריה plasmonicפולט oconductive בהשוואה לפולט photoconductive דומה עם אלקטרודות מגע הלא plasmonic.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ייצור פולט photoconductive Plasmonic

  1. לפברק שבכות plasmonic.
    1. נקה את פרוסות מוליכים למחצה על ידי טבילה באצטון (2 דקות) ואחריו isopropanol (2 דקות), ושטיפה עם מים deionized (10 שניות).
    2. ייבש את המדגם עם חנקן ולחמם אותו על פלטה חמה על 115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות כדי להסיר כל מים הנותרים.
    3. A4 הספין Microchem 950K PMMA על המדגם ב 4000 סל"ד במשך 45 שניות. טרום לאפות להתנגד על פלטה חמה על 180 מעלות צלזיוס במשך 3 דקות.
    4. טען את הדגימה לתוך כלי יתוגרפיה אלומת אלקטרונים (JEOL JBX-6300-FS). לחשוף את הדפוס הצורם plasmonic במינון בסיס סביב 650 μC / 2 ס"מ, באמצעות מתח האצה ק 100.
    5. לפתח PMMA ידי טבילה במדגם MIBK: תערובת 01:03 IPA עבור 90 שניות. מייד להעביר את הדגימה לפתרון של טהור isopropanol עבור 60 שניות.
    6. יש לשטוף את המדגם עם מים deionized עבור 10 שניות ולאחר מכן לייבש את המדגם עם חנקן.
    7. טען את הדגימה לחשפנית פלזמה (YES-CV200RFS). Descum המדגם באמצעות 30 כוח RF W על 30 מעלות צלזיוס בשיעור 100 SCCM O 2 זרימה עבור 10 שניות.
    8. הסר משטח תחמוצת ידי הטבילה בHCl: 3:10 תערובת 0 2 H למשך 30 שניות. מייד להעביר את הדגימה למפל של מים לשטוף deionized למשך 4 דקות.
    9. להעביר את הדגימה לכוס של המים deionized כדי לצמצם את החשיפה לחמצן אטמוספרי לפני תצהיר מתכת.
    10. קח את הכוס המכילה את המדגם במי deionized למאייד מתכת (דנטון SJ-20). לפרוק את התא ולאחר מכן להסיר, לייבש, ולטעון את הדגימה לתוך התא (השלבים הבאים צריכים להיות אחריו ללא הפרעה, כדי למנוע היווצרות תחמוצת משטח על המדגם).
    11. לשאוב את החדר ללחץ מתחת 2x10 -6 טור. ההפקדה טי / Au (50/450 א).
    12. לפרוק את החדר ולהסיר את המדגם.
    13. כדי המראת המתכת הופקדה, הצב את המדגם על מחזיק בטפלוןהכוס של אצטון, לכסות, ולהשאיר למשך הלילה. לחשוף את הכוס, מניח אותו בתועמלן קולי, ולחכות עד שכל המתכת לא רצויה להסרתו (בדרך כלל 30 שניות).
  2. פסיבציה 2 SiO ההפקדה.
    1. נקה את המדגם כמו בשלבים - 1.1.1 1.1.2.
    2. טען את הדגימה בכלי תצהיר משופר פלזמה באדים כימי (GSI PECVD). ההפקדה 1500 א 'של SiO 2 ב 200 ° C.
  3. פתח vias קשר דרך SiO 2.
    1. נקה את המדגם כמו בשלבים - 1.1.1 1.1.2.
    2. ספין על HMDS ב 4000 סל"ד במשך 30 שניות. ספין על photoresist Megaposit SPR 220-3.0 ב 4000 סל"ד במשך 30 שניות. טרום לאפות להתנגד על פלטה חמה על 115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות.
    3. טען את המדגם ומסיכת הצלחת לתוך הקרנת יתוגרפיה צעד (GCA AutoStep 200). יישר את המדגם ולחשוף.
    4. לאחר לאפות photoresist נחשף על פלטה חמה על 115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות.
    5. לפתח להתנגד בAZ מפתח MIF 300 ל60 שניות.
    6. מייד להעביר את הדגימה למפל של מים לשטוף deionized למשך 4 דקות. ייבש את המדגם עם חנקן.
    7. טען את הדגימה לחרט יון תגובתי (לאם 9400). לחרוט SiO 2 שימוש בכוח TCP-RF של 500 וואט, ספק RF הטיה של 100 וואט, 15 SCCM של SF6-, 50 SCCM של C 4 F 8, 50 SCCM שלו, 50 SCCM של אר עבור 80 שניות.
    8. הסר את חלק הארי של photoresist על ידי הנחת המדגם באצטון (5 דקות) ואחריו isopropanol (2 דקות). יש לשטוף במים מזוקקים (10 שניות). לייבש עם חנקן.
    9. הסר photoresist השיורי על ידי טעינת הדגימה בחשפנית פלזמה (YES-CV200RFS). הסר photoresist באמצעות 800 כוח RF W על 30 מעלות צלזיוס בשיעור 100 SCCM O 2 זרימה למשך 5 דקות.
  4. לפברק אנטנות וקווי מתח.
    1. חזור על שלבי 1.3.1 - 1.3.6 לאנטנות דפוס וקווי מתח.
    2. חזור על שלבים 1.1.8 1.1.9 - כדי להסיר משטח תחמוצת.
    3. קח את הכוס המכילה את המדגם וdeionized מים למאייד מתכת (דנטון SJ-20).
    4. לפרוק את התא ולאחר מכן להסיר במהירות, לייבש, ולטעון את הדגימה לתוך התא.
    5. לשאוב את החדר ללחץ מתחת 2x10 -6 טור. הפקדת טי / Au (10/4, 000 א).
    6. לפרוק את החדר ולהסיר את המדגם.
    7. חזור על שלב למתכת הופקדה המראת 1.1.13.
  5. ארוז את המדגם.
    1. מדביקים את הקצוות של עדשת 12 מ"מ קוטר Hyper-חצי כדור סיליקון למכונת כביסה אלומיניום 2 סנטימטר עם חור 8 מ"מ.
    2. דבק לוח PCB עם עקבות מתכת, שבה אפשר בקלות הלחמה, למכונת הכביסה האלומיניום.
    3. הר טיפוס הפולט terahertz photoconductive plasmonic מפוברק על עדשת סיליקון באמצעות דק אפוקסי.
    4. חוט אג"ח את רפידות מגע המכשיר ללוח PCB מודבק על אותה מכונת הכביסה אלומיניום.
    5. חוטי הלחמה לעקבות המתכת על לוח המעגל המודפס.
    6. חבר רפידות מגע מכשיר למנתח פרמטרית (היולט חבילהARD 4155A) באמצעות חוטים מולחמים לרפידות המתאימות של לוח המעגלים המודפסים למטרות בדיקה.

2. אפיון פולט photoconductive Plasmonic

  1. יישור מכשיר.
    1. הנח את מכונת הכביסה מאלומיניום נושא את אבות הטיפוס הפולט terahertz photoconductive plasmonic על הר סיבוב ולהתמקד בחוזקה המשאבה האופטית מטי: ספיר לייזר מצב נעול (מירה 900D V10 XW השטחים 110V) על האזור הפעיל של כל התקן.
    2. התאם את הר הסיבוב כזה שהשדה החשמלי של המשאבה האופטית מכוון לעירור יעיל של פני השטח plasmon גלים (רגיל לשבכות plasmonic).
    3. השתמש במנתח פרמטרית לחול בו זמנית מתח הטיה לכל מכשיר ולמדוד את הזרם החשמלי המושרה בכל התקן. לאשר את יישור המשאבה האופטי האופטימלי והתאמת קיטוב על ידי ניצול מרבי של פוטוני כל מכשיר הנבדק.
  2. מדידת תפוקת חשמלurement.
    1. השתמש במסוק אופטי (Thorlabs MC2000) לווסת מהמצב הנעול תקרית לייזר משאבה בכל התקן המשאבה האופטית.
    2. למדוד את תפוקת החשמל של אבות טיפוס הפולט terahertz photoconductive plasmonic באמצעות גלאי pyroelectric (גלאי ספקטרום, Inc SPI-65-THz).
    3. לחבר את הפלט של גלאי pyroelectric לנעילה במגבר (סטנפורד מחקר SR830 מערכות) בתדירות ההתייחסות של המסוק האופטי כדי לשחזר את הנתונים של כוח terahertz ברמות רעש נמוך.
  3. אפיון ספקטרלי קרינה.
    1. התחל עם טי: לייזר מצב נעול ספיר ולהשתמש במפצל קרן לפצל את הפלט של לייזר מצב נעול לקרן משאבה וקרן חללית.
    2. השתמש מאפנן electrooptic (Thorlabs איו-AM-NR-C2) כדי לווסת את הקרן האופטית בנתיב המשאבה. למקד את אלומת המשאבה על האזור הפעיל של פולט photoconductive הנבדק לייצר terahertz קרינה.
    3. Collimateקרן terahertz נוצרה באמצעות עדשה כדורית פוליאתילן ראשונה. למקד את אלומת terahertz collimated באמצעות עדשה כדורית פוליאתילן שנייה.
    4. לפני המיקוד של קרן terahertz, לשלב את קרן terahertz collimated עם הקרן האופטית באמצעות הבדיקה מסנן זכוכית מצופה איטו.
    5. הנח 1 מ"מ עובי, <110> ZnTe גביש רכוב על במה רוטציה במוקד המשולב של הקרן האופטית וterahertz.
    6. הכנס קו עיכוב אופטי לשליטה בנתיב הבדיקה האופטית באמצעות שלב יניארי ממונע (Thorlabs NRT100) כדי לגוון את השהות בין פולסים האופטיים וterahertz אינטראקציה בתוך גביש ZnTe.
    7. באמצעות חצי waveplate בנתיב החללית, לסובב את הקיטוב של החללית האופטית להיות בזווית של ° 45 ביחס לכיוון קיטוב terahertz.
    8. השתמש ברבע waveplate לאחר גביש ZnTe, להמיר את קיטוב האלומה האופטי לקיטוב מעגלי.
    9. פיצול circulקרן אופטית Arly מקוטב לשני ענפים על ידי פריזמה ולאסטון. למדוד את כוח הקרן האופטי בכל ענף באמצעות שני גלאים מאוזנים המחוברים לנעילה ב מגבר.
    10. חבר את קו העיכוב ונעילה ב המגבר הממונעים למחשב. לכתוב תסריט Matlab iteratively כדי להזיז את מיקומו של קו העיכוב הממונע, להשהות, ולקרוא את עוצמת האות מהנעילה ב מגבר.
    11. להמיר את מיקום הבמה לתחום הזמן, באמצעות חלוקת האורך הכולל ידי העיכוב האופטי במהירות אור, ואחריו התמרת דיסקרטי (באמצעות Matlab) כדי להשיג את נתוני תחום התדר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כדי להדגים את הפוטנציאל של אלקטרודות plasmonic לterahertz שיפור כוח, אנחנו מפוברקים שני משדרים terahertz: פולט photoconductive קונבנציונלי (איור 1 א) וplasmonic (איור 1) בשילוב אלקטרודות קשר plasmonic כדי לקצר את זמני הובלת הספק ליצור קשר עם אלקטרודות. שני העיצובים מורכבים הפוטוקונדוקטור ultrafast עם פער 20 מיקרומטר בין האנודה וקתודה אנשי קשר, מחובר לאנטנת עניבת פרפר ארוכה 60 מיקרומטר עם מינימום ומקסימום רוחב של 100 מיקרומטר ו 30 מיקרומטר, בהתאמה, מפוברק על אותו מצע LT-GaAs. פולט photoconductive plasmonic משלב שתי שבכות קשר plasmonic ננומטריים ליציאת הקלט של אנטנת עניבת הפרפר. אסטרטגיית העיצוב לתצורת אלקטרודה קשר plasmonic האופטימלית היא למקסם את העברת המשאבה האופטית לתוך קליטת התמונה המצע תוך מזעור המרווח בין אלקטרודות plasmonic כדי למזער את ה-pH הממוצעOto-נוצר אורך נתיב תחבורה מוביל לאלקטרודות ליצירת הקשר. אנו משתמשים בפותר סופי, אלמנט רב פיסיקה (COMSOL) כדי להעריך את התגובה של photoconductors עם האלקטרודות מגע plasmonic נועדו משאבה אופטית אירוע. לצורך כך, צפיפות הספק תמונה שנוצר נגזרת מהעוצמת האופטית מחושבת במצע תמונה קליטה ושילוב עם נתוני השדה החשמליים ההטיה במודל הנדידה-דיפוזיה הקלסית כדי לחשב את פוטוני המושרה 9. מתכות עם מאפייני plasmonic חזקים באורך הגל האופטי המשאבה עדיפות, שכן הם מאפשרים כליאה חזק של המשאבה האופטית בממשק המתכת, ולכן, מציע אורכי נתיב תחבורה ספק תמונה שנוצרו קצרים לאלקטרודות ליצירת הקשר. לפולט photoconductive plasmonic הוכחה של הקונספט, עיצבנו צורם plasmonic עם 100 ננומטר רוחב Au, ריווח ננומטר 100, וגובה 50 ננומטר, המאפשר העברת של יותר מ -70% מpum אופטי 800 ננומטרעמ 'דרך סורגי ננו לתוך מצע תמונה סופג-11, 12. המשאבה אופטי האירוע מטי: ספיר לייזר עם אורך גל של 800 ננומטר מרכזי, שיעור החזרה MHz 76, 200 ורוחב פולס fsec הייתה ממוקדת היטב על גבי כל מכשיר מפוברק (איור 2 א) ואת מיקומו בסמוך לאלקטרודה קשר האנודה למקסם הקרינה כוח 13-15. על מנת למקסם את כוחו הקרין לפולט photoconductive הקונבנציונלי, השדה החשמלי האופטי היה מכוון לתוחלת על פני הפער בין האנודה וקתודת אלקטרודות מגע. לפולט photoconductive plasmonic, השדה החשמלי היה בניצב לכיוון סורגי המתכת. כוח terahertz נוצר מפולט photoconductive נמדד באמצעות גלאי pyroelectric. 2b איור מראה terahertz הקרינה נמדדה מפולטי plasmonic וקונבנציונלי terahertz, המוטים חשמלי ב 40 V, תחת סמכויות משאבה אופטיות שונות. אניעקומת Nset מציגה את פוטוני המקביל. קרינת חשמל שיפור של יותר מ 33 נצפה מפולט photoconductive plasmonic ב-- 0 MW 25 מגוון כוח משאבה אופטי. שיפור כוח קרינה משמעותי זאת בשל הרמות הגבוהות יותר פוטוני שנוצרו בעת העסקת אלקטרודות קשר plasmonic. איור 2 ג מראה את הקרינה הנמדדת terahertz לעומת פוטוני שנגבו עבור emitters terahertz plasmonic והקונבנציונלי. את הנתונים המיוצגים בעלילה כוללים מתח הטיה שונים (10 - 40 V) תחת סמכויות משאבה אופטיות שונות (5 - MW 25). הנקודות הנתונים הן כל עקומה התאים לאותו קו עם שיפוע של 2, המאשר את התלות ריבועית של כוח הקרינה על פוטוני המושרה ואת העובדה שכל תנאים תפעוליים האחרים (לרבות מפרטי אנטנה) הם אותו דבר ולקונבנציונלי אבות טיפוס פולט photoconductive plasmonic. איור 2 מראים את כוח העשרת terahertzגורם ement מוגדר כיחס של כוח terahertz נפלט מפולט terahertz plasmonic לפולט terahertz הקונבנציונלי. במשאבת רמות נמוכות אופטיות חשמל ומתח הטיה של 30 V, הספק של עד 50 גורמי שיפור הם נצפו. גורם השיפור יורד מעט במשאבת רמות כוח אופטיים גבוהות יותר ומתח הטיה גבוה יותר. זה יכול להיות מוסבר על ידי השפעת הקרנת המנשא, שאמור להשפיע על הפוטוקונדוקטור plasmonic יותר מהפוטוקונדוקטור הקונבנציונלי, שכן הוא מייצר יותר פוטוני והפרדת מספר גדול יותר של זוגות אלקטרון חור. לבסוף, כוח terahertz המרבי שנמדד מאת emitters terahertz plasmonic והקונבנציונלי תחת משאבה אופטית MW 100 (2E איור). מתח ההטיה של כל מכשיר הוא גדל עד לנקודת כשל מכשיר. במקסימום, פולט photoconductive plasmonic הפיק הספק ממוצע של 250 μW, לעומת 12 μW של פולט photoconductive הקונבנציונלי10.

איור 1
איור 1. תרשים סכמטי ותפיסת הפעלה של פולטי terahertz photoconductive. (א) פולט terahertz photoconductive קונבנציונלי. (ב) משדר terahertz photoconductive plasmonic שילוב אלקטרודות קשר plasmonic. לחצו כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 2
איור 2. השוואה של פולטי terahertz photoconductive קונבנציונליים וplasmonic 10. () תמונות מפוברקות מכשיר. (ב) terahertz קרינה נמדד מפולטי plasmonic וקונבנציונלי terahertz, המוטים חשמלי ב 40 V, תחת סמכויות משאבה אופטיות שונות. עקומת הבלעה מראה את corresponding פוטוני. (ג) terahertz קרינה נמדד לעומת פוטוני שנגבו עבור emitters terahertz plasmonic והקונבנציונלי. את הנתונים המיוצגים בעלילה כוללים מתח הטיה שונים (10 - 40 V) תחת סמכויות משאבה אופטיות שונות (5 - MW 25). (ד) שיפור כוח terahertz יחסית מוגדר כיחס של כוח terahertz נפלט מפולט terahertz plasmonic ל פולט terahertz הקונבנציונלי. (ה) כוח terahertz מקסימאלי שנמדד מאת emitters terahertz plasmonic והקונבנציונלי תחת משאבה אופטית 100 מגה ואט. מתח ההטיה של כל מכשיר הוא גדל עד לנקודת כשל מכשיר. במקסימום, פולט photoconductive plasmonic הפיק הספק ממוצע של 250 μW, לעומת 12 μW של פולט photoconductive הקונבנציונלי. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 3. . מאפייני ספקטרום של קרינת פולט photoconductive plasmonic ספקטרום 10 קרינה נמדד בתגובה לדופק 200 fsec אופטי מטי מצב נעול: ספיר לייזר עם אורך גל מרכזי 800 ננומטר ושיעור החזרה MHz 76 בהתקנת ספקטרוסקופיה terahertz תחום בזמן עם זיהוי אלקטרו אופטי. (א) כוח המוקרן במישור הזמן. (ב) כוח המוקרן בתחום התדר. פסגות הקרינה שנצפו סביב 0.35 THz ו0.55 THz קשורות עם פסגות התהודה של אנטנת bowtie המועסק, ושיא הקרינה סביב 0.1 THz קשור לשיא התהודה של אנטנת דיפול נוצרה על ידי קווי הטית אנטנת עניבת הפרפר. לחצו כאן כדי להציג דמות גדולה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

במאמר זה וידאו, אנו מציגים טכניקת דור terahertz photoconductive רומן שמשתמשת בתצורת אלקטרודה קשר plasmonic על מנת לשפר את יעילות ההמרה אופטית לterahertz על ידי שני סדרי גודל. העלייה המשמעותית בכוח terahertz הקרינה ממשדרי photoconductive plasmonic שהוצגו היא בעל ערך רבה לעתיד רגישות גבוהה terahertz הדמיה, ספקטרוסקופיה ומערכות ספקטרומטריית משמשת לזיהוי כימי מתקדם, הדמיה רפואית, ביולוגי חישה, אסטרונומיה, אטמוספרי חישה, הקרנת ביטחון, ו אפיון חומר.

המוקד של מאמר זה וידאו כבר ההדגמה של ההשפעה של אלקטרודות plasmonic בשיפור פוטוני המושרה בphotoconductors מהירים והקרין כוח terahertz מפולטי terahertz photoconductive. לפיכך, הבחירה של ארכיטקטורת פולט photoconductive, terahertz מקרינה אנטנה, ולהאכיל הטיהבהפגנה שלנו היה שרירותי, ומושג השיפור יכול להיות מיושם באופן דומה על מנת לשפר את כוח הקרינה ממשדרי terahertz photoconductive עם מגוון רחב של אנטנות terahertz עם ובלי קשר אלקטרודות interdigitated כמו גם קרינת terahertz photoconductive שטח גדול בשתי פעם ורציפות גל מבצע. בהקשר זה, את עוצמת השידור של מכשירי אב הטיפוס שלנו יכול להיות עוד יותר משופר באמצעות שימוש בחללי תהודה 3, 16, אזורים פעילים גדולים מכשיר 17-22, ואנטנות עם קרינה גבוהה יותר התנגדות ורוחב פס של 23, 24. יתר על כן, ניתן להשתמש במנגנון שיפור היעילות הקוונטית המתואר בphotoconductors plasmonic כדי לשפר את תגובתיות וגילוי הרגישות של גלאי terahertz photoconductive, כמו גם 25-27.

יש לציין כי השלב הקריטי ביותר ליישום emitters terahertz photoconductive plasmonic בעלי ביצועים גבוהים הוא טפיחהterning האלקטרודות מגע plasmonic. מצד אחד, קליטת משאבה אופטית גבוהה יותר, ולכן, גבוה יותר יכולה להיות מושגת יעילות המרה אופטית לterahertz על ידי שימוש באלקטרודות קשר plasmonic היבט יחס גבוהים יותר. מצד השני, מרים את תכונות מתכתיות עבות עם גדלי תכונה בקנה מידה ננו מאתגר מכיוון שהוא דורש עובי שכבות להתנגד, ולכן היחס הגבוה ביותר של אלקטרודות קשר plasmonic מוגבל לרזולוציה של כלים ליתוגרפיה קרן אלקטרונים קיימים.

אנו מאמינים כי העבודה שלנו תתפתח בעתיד הקרוב כדי לדחוף את יעילות ההמרה אופטית לterahertz של פולטי photoconductive plasmonic על ידי יותר משלושה סדרי גודל. בהקשר זה, השימוש באלקטרודות גבוהות יחס ממדי plasmonic מגע משובץ בתוך התמונה קליטת 28-30 המוליכים למחצה מאפשרת תחבורה מהירה של רוב photocarriers להאלקטרודות מגע הפוטוקונדוקטור ותרם היעילה שלהםution לדור terahertz. שימוש באלקטרודות גבוהות יחס ממדי plasmonic מגע משובץ בתוך תמונה קליטת מוליכים למחצה גם מבטל את הצורך בשימוש במוליכים למחצה חיים הספק קצרים, המשמשים לזרם DC הדיכוי של פולטי photoconductive (באופן כללי) ולמניעת הפרעות הרסניות לא רצויות ברציפה emitters photoconductive גל (בספציפי). ומבטל את הצורך בשימוש במוליכים למחצה חיים הספק קצרים, שבו יש ספק mobilities הנמוך ומוליכות תרמית 31 בהשוואה למוליכים למחצה גבישים באיכות גבוהות, תהיה השפעה חשובה על עתיד ומתח גבוה פולטי terahertz photoconductive יעילות גבוהות. זה יכול גם להוביל לדור חדש של פולטי terahertz photoconductive מבוסס על צילום קליטת מוליכים למחצה עם פונקציות ייחודיות (קרינת photoconductive מבוססת גרפן למשל שנהנה מmobilities הספק מעולה או פולט photoconductive מבוסס גןים הנהנים ממוליכות תרמית מעולה).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgments

המחברים מבקשים להודות לPicometrix למתן מצע LT-GaAs ותודה להכיר תמיכה הכספית ממישיגן שטח גרנט Consortium, פרס פקולטה צעיר DARPA מנוהל על ידי ד"ר ג'ון אלברכט (חוזה # N66001-10-1-4027), הקריירה NSF פרס מנוהל על ידי ד"ר סמיר אל-ג'אזאלי (חוזה # N00014-11-1-0096), פרס חוקר צעיר ONR מנוהל על ידי ד"ר פול מק"י (חוזה # N00014-12-1-0947), ופרס לחוקר צעיר המנוהל על ידי מנהל מחקר חקלאי ד"ר Dev פאלמר (חוזה # W911NF-12-1-0253).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagent
Polymethyl Methacrylate (PMMA) MicroChem 950K PMMA A4
Hexamethyldisilazane (HMDS) Shin-Etsu MicroSI MicroPrime HP Primer
Optical Photoresist Dow Chemical Megaposit SPR 220-3.0
Photoresist Developer AZ Electronic Materials AZ 300 MIF Developer
Methyl Iso-Butyl Keytone (MIBK) Avantor Performance Materials 9322-03
Equipment
Ti:Sapphire Mode-Locked Laser Coherent MIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr–lectric Detector Spectrum Detector SPI-A-65 THz
Electron-Beam Lithography Tool JEOL JBX-6300-FS
Plasma Stripper Yield Engineering Systems YES-CV200RFS
Metal Evaporator Denton Vacuum SJ-20
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Tool GSI GSI PECVD System
Projection Lithography Stepper GCA AutoStep 200
Reactive Ion Etcher LAM Research 9400
Parameter Analyzer Hewlett Packard 4155A
Optical Chopper Thorlabs MC2000
Lock-in Amplifier Stanford Research Systems SR830
Electrooptic Modulator Thorlabs EO-AM-NR-C2
Motorized Linear Stage Thorlabs NRT100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Preu, S., Dohler, G. H., Malzer, S., Wang, L. J., Gossard, A. C. Tunable, continuous-wave terahertz photomixer sources and applications. J. Appl. Phys. 109, 061301 (2011).
  2. Bjarnason, J. E., Chan, T. L. J., Lee, A. W. M., Brown, E. R., Driscoll, D. C., Hanson, M., Gossard, A. C., Muller, R. E. ErAs:GaAs photomixer with two-decade tunability and 12 μW peak output power. Appl. Phys. Lett. 85, 3983-3985 (2004).
  3. Peytavit, E., Lepilliet, S., Hindle, F., Coinon, C., Akalin, T., Ducournau, G., Mouret, G., Lampin, J. -F. Milliwatt-level output power in the sub-terahertz range generated by photomixing in a GaAs photoconductor. Appl. Phys. Lett. 99, 223508 (2011).
  4. 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. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
  5. Roehle, H., Dietz, R. J. B., Hensel, H. J., Böttcher, J., Künzel, H., Stanze, D., Schell, M., Sartorius, B. Next generation 1.5 μm terahertz antennas: mesa-structuring of InGaAs/InAlAs photoconductive layers. Opt. Express. 18, 2296-2301 (2010).
  6. Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
  7. Park, S. -G., Jin, K. H., Yi, M., Ye, J. C., Ahn, J., Jeong, K. -H. Enhancement of Terahertz Pulse Emission by Optical Nanoantenna. ACS NANO. 6, 2026-2031 (2012).
  8. Auston, D. H., Cheung, K. P., Smith, P. R. Picosecond photocoducting Hertzian dipoles. Appl. Phys. Lett. 45, 284-286 (1984).
  9. Berry, C. W., Jarrahi, M. Terahertz generation using plasmonic photoconductive gratings. New Journal of Physics Focus Issue on Terahertz Plasmonics. 14, 105029 (2012).
  10. Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Radiation Enhancement in Photoconductive Terahertz Emitters by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. arXiv. , 1209.1680v1 (2012).
  11. Berry, C. W., Jarrahi, M. Ultrafast Photoconductors based on Plasmonic Gratings. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
  12. Berry, C. W., Jarrahi, M. Plasmonically-enhanced localization of light into photoconductive antennas. Proc. Conf. Lasers and Electro-Optics. , CFI2 (2010).
  13. Berry, C. W., Jarrahi, M. Principles of impedance matching in photoconductive antennas. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz. , (2012).
  14. Ralph, S. E., Grischkowsky, D. Trap-enhanced electric fields in semi-insulators: The role of electrical and optical carrier injection. Appl. Phys. Lett. 59, 1972 (1991).
  15. 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. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
  16. Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
  17. Jarrahi, M. Terahertz radiation-band engineering through spatial beam-shaping. Photonic Technology Letters. 21, 2019620 (2009).
  18. Jarrahi, M., Lee, T. H. High power tunable terahertz generation based on photoconductive antenna arrays. Proc. IEEE International Microwave Symposium. , 391-394 (2008).
  19. Beck, M., Schafer, H., Klatt, G., Demsar, J., Winnerl, S., Helm, M., Dekorsy, T. Impulsive terahertz radiation with high electric fields from an amplifier-driven large-area photoconductive antenna. Opt. Express. 18, 9251-9257 (2010).
  20. Hattori, T., Egawa, K., Ookuma, S. I., Itatani, T. Intense terahertz pulses from large-aperture antenna with interdigitated electrodes. Jpn. J. Appl. Phys. 45, L422-L424 (2006).
  21. Kim, J. H., Polley, A., Ralph, S. E. Efficient photoconductive terahertz source using line excitation. Opt. Lett. 30, 2490-2492 (2005).
  22. Dreyhaupt, A., Winnerl, S., Dekorsy, T., Helm, M. High-intensity terahertz radiation from a microstructured large-area photoconductor. Appl. Phys. Lett. 86, 121114 (2005).
  23. Brown, E. R., Lee, A. W. M., Navi, B. S., Bjarnason, J. E. Characterization of a planar self-complementary square-spiral antenna in the THz region. Microwave Opt. Technol. Lett. 48, 524-529 (2006).
  24. Huo, Y., Taylor, G. W., Bansal, R. Planar log-periodic antennas on extended hemishperical silicon lenses for millimeter/submillimeter wave detection applications. Int. J. Infrared and Millimeter Waves. 23, 819 (2002).
  25. Heshmat, B., Pahlevaninezhad, H., Pang, Y., Masnadi-Shirazi, M., Lewis, R. B., Tiedje, T., Gordon, R., Darcie, T. E. Nanoplasmonic Terahertz Photoconductive Switch on GaAs. Nano Lett. 12, 6255-6259 (2012).
  26. Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Performance Enhancement in Photoconductive Terahertz Optoelectronics by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. Nature Communications. 4, 1622 (2013).
  27. Wang, N., Berry, C. W., Hashemi, M. R., Jarrahi, M. Plasmonic photoconductive detectors for enhanced terahertz detection sensitivity. Optics Express. , In Press (2013).
  28. Hsieh, B. -Y., Jarrahi, M. Analysis of periodic metallic nano-slits for efficient interaction of terahertz and optical waves at nano-scale dimensions. J. Appl. Phys. 109, 084326 (2011).
  29. Hsieh, B. -Y., Wang, N., Jarrahi, M. Toward Ultrafast Pump-Probe Measurements at the Nanoscale. Special Issue of "Optics in 2011. Optics & Photonics News. 22, (2011).
  30. Hsieh, B. -Y., Jarrahi, M. Simultaneous focusing of terahertz and optical waves into nano-scale. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
  31. Jackson, A. W., Ibbetson, J. P., Gossard, A. C., Mishra, U. K. Reduced thermal conductivity in low-temperature grown GaAs. Appl. Phys. Lett. 74, 2325-2327 (1999).

Tags

פיסיקה גיליון 77 הנדסת חשמל מדעי מחשב מדעי חומרים הנדסת חשמל ואלקטרוניקה מכשור וצילום לייזרים ומייזר אופטיקה פיסיקה של מצב מוצק Terahertz Plasmonic ספקטרוסקופיה תחום בזמן פולט photoconductive אלקטרוניקה
עיצוב, ייצור, וניסויית אפיון של פולטי Terahertz פוטו Plasmonic
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Berry, C., Hashemi, M. R., Unlu, M., … More

Berry, C., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters. J. Vis. Exp. (77), e50517, doi:10.3791/50517 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter