Vi beskriver metoder til design, fabrikation, og eksperimenterende karakterisering af plasmoniske fotoledende udledere, som tilbyder to størrelsesordener terahertz magt niveauer i forhold til konventionelle fotoledende udledere.
I denne video artikel vil vi fremlægge en detaljeret demonstration af en meget effektiv metode til at generere terahertz bølger. Vor teknik er baseret på photoconduction, som har været et af de mest almindeligt anvendte teknikker til terahertz generation 1-8. Terahertz generation i en fotoledende emitter opnås ved at pumpe en ultrahurtig fotokonduktorenhed med en pulserende eller heterodyned laserbelysning. Den inducerede fotostrøm, der følger kuverten af pumpen laser, dirigeres til en terahertz udstrålende antenne til fotokonduktorenhederne kontaktelektroder at generere terahertz stråling. Selv om den kvante effektiviteten af en fotoledende emitter teoretisk kan nå op på 100%, har de relativt lange transportvej længder af foto-genererede bærere til kontakt elektroder af konventionelle fotoledere alvorligt begrænset deres kvante effektivitet. Derudover luftfartsselskabet screening effekt, og termisk nedbrydning nøje begrænse den maksimale output power af konventionelle fotoledende terahertz kilder. At løse de kvantemekaniske effektivitet begrænsninger af konventionelle Photoconductive terahertz udledere, har vi udviklet et nyt fotoledende emitter koncept, som inkorporerer en plasmoniske kontakt elektrode konfiguration til at tilbyde høj kvante-effektivitet og ultrahurtig drift samtidig. Ved at bruge nano-skala plasmoniske kontakt elektroder, markant reducerer vi den gennemsnitlige foto-genererede carrier transport vej til fotokonduktorenheder kontaktelektroder forhold til konventionelle fotokonduktorer 9. Vores metode giver også mulighed for at øge fotokonduktor aktivt område uden en betydelig stigning i den kapacitive belastning til antennen, øge den maksimale terahertzstråling effekt ved at forhindre luftfartsselskabet screening effekt, og termisk nedbrydning ved høje optiske pumpe beføjelser. Ved at inkorporere plasmoniske kontakt elektroder udviser vi forbedre den optiske-til-terahertz power konvertering effektiviteten af en konventionel fotoledende terahertz emitter med en faktor på 50 10.
Vi præsenterer en roman fotoledende terahertz emitter, der bruger en plasmoniske kontakt elektrode konfiguration til at forbedre den optiske-til-terahertz konvertering effektivitet ved to størrelsesordener. Vores teknik adresser de mest vigtige begrænsninger af konventionelle Photoconductive terahertz udledere, nemlig lav udgangseffekt og dårlig strømeffektivitet, der stammer fra den iboende tradeoff mellem høj kvante effektivitet og ultrahurtig drift af konventionelle fotokonduktorer.
En af de vigtigste nyskabelser i vores design, der førte til denne springe performance forbedringer er at designe en kontakt elektrode konfiguration, der akkumulerer et stort antal foto-genererede bærere i umiddelbar nærhed af de kontaktoplysninger elektroder, således at de kan indsamles inden en sub- picosekund tidshorisont. Med andre ord, er afvejningen mellem fotokonduktorsættets ultrahurtig drift og høj kvante effektivitet mindskes ved rumlig manipulation af foto-slægterted luftfartsselskaber. Plasmoniske kontaktelektroder tilbyde denne unikke evne ved (1) tillader lys indespærring i nanoskala enhed aktive områder mellem de plasmoniske elektroder (uden diffraktion grænse), (2) ekstraordinære lys forbedring på metal kontakt og foto-absorberende halvleder-interface 10, 11. En anden vigtig egenskab ved vores løsning er, at det kan rumme store fotokonduktorenheder aktive områder uden en betydelig stigning i den parasitiske belastning til terahertz udstrålende antenne. Udnytte store fotokonduktorenheder aktive områder aktivere afbøde luftfartsselskabet screening effekten og termisk nedbrydning, som er de ultimative begrænsninger for den maksimale stråling strøm fra konventionelle fotoledende udledere. Denne video artikel er koncentreret om de unikke egenskaber i vores præsenterede løsning ved at beskrive de styrende fysik, numerisk modellering og eksperimentel verifikation. Vi eksperimentelt demonstrere 50 gange højere terahertz beføjelser fra en plasmoniske photoconductive emitter i sammenligning med en tilsvarende fotoledende emitter med non-plasmoniske kontakt elektroder.
I denne video artikel præsenterer vi en ny fotoledende terahertz generation teknik, der bruger en plasmoniske kontakt elektrode konfiguration til at forbedre den optiske-til-terahertz konvertering effektivitet ved to størrelsesordener. Den betydelige stigning i terahertzstråling strøm fra de præsenterede plasmoniske fotoledende udledere er meget værdifuld for den fremtidige højfølsom terahertz billedbehandling, spektroskopi og spektrometri systemer, der anvendes til avanceret kemisk identifikation, medicinsk bil…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke Picometrix for at levere de LT-GaAs substrat og taknemmeligt anerkende den økonomiske støtte fra Michigan Space Grant Consortium, DARPA Young Faculty Award forvaltes af Dr. John Albrecht (kontrakt # N66001-10-1-4027), NSF KARRIERE Award forvaltes af Dr. Samir El-Ghazaly (kontrakt # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award forvaltes af Dr. Paul Maki (kontrakt # N00014-12-1-0947), og ARO Young Investigator Award forvaltes af Dr. Dev Palmer (kontrakt # W911NF-12-1-0253).
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 | |
Pyroelectric 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 |