تصميم وتصنيع، والتجريبية توصيف Plasmonic بواعث تيراهيرتز موصل كهربائي بفعل الضوء

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

نحن تصف أساليب لتصميم وتصنيع، وتوصيف التجريبية من بواعث ضوئية plasmonic، والتي تقدم طلبين من أعلى مستويات السلطة تيراهيرتز حجم مقارنة مع بواعث الضوئية التقليدية.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

في هذه المقالة الفيديو نقدم مظاهرة مفصل لطريقة ذات كفاءة عالية لتوليد موجات تيراهيرتز. ويستند أسلوبنا على photoconduction، التي كانت واحدة من أكثر التقنيات استخداما لتيراهيرتز جيل 1-8. ويتحقق جيل تيراهيرتز في باعث ضوئية عن طريق الضخ من الموصل الضوئي فائق السرعة مع إضاءة ليزر نابض أو heterodyned. يتم توجيه photocurrent يسببها، والذي يتبع المغلف من الليزر مضخة، ليشع الهوائي تيراهيرتز متصلا أقطاب الاتصال الموصل الضوئي لتوليد إشعاع تيراهيرتز. على الرغم من أن كفاءة الكم من باعث ضوئية يمكن أن تصل إلى 100٪ من الناحية النظرية، ونقل طويلة نسبيا أطوال مسار ناقلات الصورة التي تم إنشاؤها إلى الأقطاب الاتصال من photoconductors التقليدية حدت بشدة كفاءتها الكم. بالإضافة إلى ذلك، وتأثير الفحص الناقل وانهيار الحرارية تحد بشكل صارم الحد الأقصى لانتاج POWER من مصادر تيراهيرتز ضوئية التقليدية. لمعالجة أوجه القصور كفاءة الكم من التقليدية بواعث تيراهيرتز ضوئية، قمنا بتطوير مفهوم باعث ضوئية الجديد الذي يشتمل على الاتصال التكوين القطب plasmonic إلى العرض عالية الكم كفاءة وتشغيل فائق السرعة في وقت واحد. باستخدام مقياس النانو أقطاب الاتصال plasmonic، ونحن الحد بشكل كبير من متوسط ​​الصورة ولدت مسار النقل الناقل لأقطاب الاتصال الضوئي مقارنة photoconductors التقليدية 9. طريقة لدينا أيضا يسمح بزيادة مساحة حيوية الموصل الضوئي دون زيادة كبيرة في تحميل بالسعة إلى الهوائي، وزيادة الحد الأقصى تيراهيرتز قوة الإشعاع عن طريق منع تأثير الفحص الناقل وانهيار الحراري في ارتفاع القوى مضخة البصرية. من خلال دمج أقطاب الاتصال plasmonic، علينا أن نظهر تعزيز البصرية إلى تيراهيرتز كفاءة تحويل الطاقة من الشركة المصرية للاتصالات الضوئية التقليديةباعث rahertz بمعامل 50 10.

Introduction

نقدم رواية ضوئية باعث تيراهيرتز يستخدم plasmonic الاتصال التكوين الكهربائي لتعزيز كفاءة التحويل الضوئية إلى تيراهيرتز من قبل اثنين من أوامر من حجمها. يتناول أسلوبنا القيود أهم بواعث التقليدية تيراهيرتز ضوئية، وهي منخفضة انتاج الطاقة وضعف كفاءة الطاقة، والتي تنشأ من المقايضة المتأصلة بين ارتفاع كفاءة الكم وتشغيل فائق السرعة من photoconductors التقليدية.

واحدة من المستجدات الأساسية في التصميم لدينا التي أدت إلى هذا التحسن أداء القفز هو تصميم الاتصال التكوين الكهربائي الذي يتجمع عدد كبير من شركات الطيران الصورة التي تم إنشاؤها على مقربة من الأقطاب الاتصال، بحيث يمكن جمعها ضمن الفرعي بيكو ثانية مقياس الوقت. وبعبارة أخرى، يتم التخفيف من عملية المفاضلة بين الموصل الضوئي فائق السرعة، وارتفاع كفاءة الكم من خلال التلاعب المكاني للأجناس الصورشركات الطيران تيد. أقطاب الاتصال Plasmonic نقدم هذه القدرة الفريدة من قبل (1) السماح الحبس الضوء إلى المناطق النانو الجهاز النشط بين الأقطاب plasmonic (خارج حدود الحيود)، (2) تعزيز ضوء استثنائية في الاتصال المعدنية والصورة التي تمتص أشباه الموصلات واجهة 10 و 11. سمة أخرى هامة من الحل لدينا هو أنه يستوعب المناطق النشطة الموصل الضوئي كبيرة دون زيادة كبيرة في التحميل الطفيلية إلى هوائي يشع تيراهيرتز. الاستفادة من المناطق النشطة الموصل الضوئي كبير تمكين التخفيف من تأثير الفحص الناقل وانهيار الحرارية، التي هي حدود النهائي لأقصى قدر من قوة الإشعاع من بواعث الضوئية التقليدية. وتتركز هذه المقالة الفيديو على سمات فريدة من حلنا قدمها تصف الفيزياء التي تحكم، والنمذجة العددية، والتحقق التجريبي. علينا أن نظهر بشكل تجريبي 50 أضعاف القوى تيراهيرتز من فوت plasmonicباعث oconductive بالمقارنة مع باعث ضوئية مماثلة مع أقطاب الاتصال غير plasmonic.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Plasmonic موصل كهربائي بفعل الضوء تلفيق باعث

  1. افتعال حواجز شبكية plasmonic.
    1. تنظيف رقاقة أشباه الموصلات بغمر في الأسيتون (2 دقيقة)، يليه الأيزوبروبانول (2 دقيقة)، والشطف مع الماء منزوع الأيونات (10 ثانية).
    2. تجفيف عينة مع النيتروجين وتسخينها على موقد في 115 درجة مئوية لمدة 90 ثانية لإزالة أي المياه المتبقية.
    3. تدور MicroChem 950K PMMA A4 على العينة في 4،000 دورة في الدقيقة لمدة 45 ثانية. قبل خبز مقاومة على موقد على حرارة 180 درجة مئوية لمدة 3 دقائق.
    4. تحميل العينة إلى أداة الطباعة الحجرية شعاع الالكترون (JEOL JBX-6300-FS). فضح نمط صريف plasmonic بجرعة قاعدة حوالي 650 μC / سم وذلك باستخدام 100 كيلوفولت تسارع الجهد.
    5. تطوير PMMA بغمر عينة في MIBK: IPA خليط 1:03 لمدة 90 ثانية. نقل على الفور عينة الى حل من الذهب الخالص الأيزوبروبانول لمدة 60 ثانية.
    6. شطف العينة مع الماء منزوع الأيونات لمدة 10 ثانية ثم تجفيف عينة مع النيتروجين.
    7. تحميل العينة إلى متجرد البلازما (YES-CV200RFS). Descum العينة باستخدام 30 واط قوة الترددات اللاسلكية عند 30 درجة مئوية مع SCCM O 2 معدل تدفق 100 لمدة 10 ثانية.
    8. إزالة أكسيد سطح بغمر في حمض الهيدروكلوريك: H 2 0 03:10 الخليط لمدة 30 ثانية. نقل على الفور العينة إلى سلسلة شطف من الماء منزوع الأيونات لمدة 4 دقائق.
    9. نقل العينة إلى دورق من الماء منزوع الأيونات للحد من التعرض للأكسجين في الغلاف الجوي قبل ترسب المعادن.
    10. خذ دورق يحتوي على العينة في الماء منزوع الأيونات إلى المبخر المعدنية (دينتون SJ-20). تنفيس عن الدائرة ومن ثم إزالة، تجف، وتحميل عينة الى غرفة (ينبغي اتباع هذه الخطوات دون انقطاع لمنع تشكيل أكسيد السطح على العينة).
    11. ضخ الدائرة إلى الضغط أدناه 2X10 -6 عربة. الودائع تي / الاتحاد الافريقي (50/450 A).
    12. تنفيس عن الغرفة وإزالة عينة.
    13. من أجل رفع قبالة المعدنية المودعة، ضع العينة على حامل تفلون فيكوب من الاسيتون، والغطاء، وترك بين عشية وضحاها. كشف الدورق، وضعه في المحرض بالموجات فوق الصوتية، وانتظر حتى تتم إزالة جميع المعادن غير المرغوب فيها (عادة 30 ثانية).
  2. إيداع شافي 2 التخميل.
    1. تنظيف العينة كما هو الحال في خطوات 1.1.1 - 1.1.2.
    2. تحميل العينة في مادة كيميائية أداة ترسب بخار البلازما المعززة (GSI PECVD). إيداع 1500 ألف من شافي 2 في 200 ° C.
  3. فتح فيا الاتصال من خلال شافي 2.
    1. تنظيف العينة كما هو الحال في خطوات 1.1.1 - 1.1.2.
    2. تدور على HMDS في 4،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. تدور على Megaposit SPR 220-3،0 مقاومة للضوء في 4،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. قبل خبز مقاومة على موقد في 115 درجة مئوية لمدة 90 ثانية.
    3. تحميل العينة وقناع لوحة في إسقاط الطباعة الحجرية السائر (GCA AutoStep 200). محاذاة عينة وفضح.
    4. بعد خبز مقاومة للضوء تعرض على موقد في 115 درجة مئوية لمدة 90 ثانية.
    5. تطوير مقاومة في AZ 300 MIF المطور ل60 ثانية.
    6. التحرك فورا العينة إلى سلسلة شطف من الماء منزوع الأيونات لمدة 4 دقائق. تجفيف عينة مع النيتروجين.
    7. تحميل العينة إلى مطبوع أيون رد الفعل (LAM 9400). حفر شافي 2 باستخدام الطاقة RF TCP من 500 واط، قوة RF التحيز من 100 واط، 15 SCCM من SF6، 50 SCCM من C 4 F 50 SCCM من و، 50 SCCM من سورة لمدة 80 ثانية.
    8. إزالة الجزء الأكبر من مقاومة للضوء عن طريق وضع عينة في الأسيتون (5 دقائق)، يليه الأيزوبروبانول (2 دقيقة). شطف في الماء منزوع الأيونات (10 ثانية). الجافة مع النيتروجين.
    9. إزالة مقاوم الضوء المتبقية عن طريق تحميل عينة في متجرد البلازما (YES-CV200RFS). إزالة مقاومة للضوء باستخدام 800 W الطاقة RF في 30 ° C مع SCCM O 2 معدل تدفق 100 لمدة 5 دقائق.
  4. افتعال الهوائيات وخطوط التحيز.
    1. كرر الخطوات من 1.3.1 - 1.3.6 لهوائيات نمط وخطوط التحيز.
    2. كرر الخطوات من 1.1.8 - 1.1.9 لإزالة أكسيد السطح.
    3. خذ دورق يحتوي على العينة ومنزوع الأيونات الماء إلى المبخر المعدنية (دينتون SJ-20).
    4. تنفيس عن الدائرة ثم قم بإزالة بسرعة، تجف، وتحميل عينة الى غرفة.
    5. ضخ الدائرة إلى الضغط أدناه 2X10 -6 عربة. الودائع تي / الاتحاد الافريقي (10/4، 000).
    6. تنفيس عن الغرفة وإزالة عينة.
    7. كرر الخطوة 1.1.13 لرفع قبالة المعدنية المودعة.
  5. حزمة العينة.
    1. الغراء حواف مم عدسة السيليكون فرط نصف كروية 12 إلى 2 بوصة غسالة الألومنيوم مع ثقب 8 مم.
    2. الغراء لوحة PCB مع آثار المعادن، والتي يمكن للمرء بسهولة لحام، إلى غسالة الألومنيوم.
    3. تحميل plasmonic ضوئية نماذج باعث تيراهيرتز ملفقة على العدسة السيليكون باستخدام الايبوكسي رقيقة.
    4. السندات سلك منصات الاتصال الجهاز إلى لوحة PCB لصقها على نفس غسالة الألومنيوم.
    5. أسلاك لحام إلى آثار معدنية على لوحة PCB.
    6. ربط منصات الاتصال الجهاز إلى محلل حدودي (هيوليت حزمةارض 4155A) باستخدام الأسلاك ملحوم على منصات المقابلة من لوحة PCB لأغراض الاختبار.

2. Plasmonic موصل كهربائي بفعل الضوء توصيف باعث

  1. محاذاة الجهاز.
    1. وضع غسالة الألومنيوم تحمل تيراهيرتز ضوئية plasmonic نماذج باعث على جبل التناوب والتركيز بإحكام المضخة البصرية من تي: الياقوت وضع مقفل ليزر (MIRA 900D V10 XW الأراضي الفلسطينية المحتلة 110V) على منطقة نشطة من كل جهاز.
    2. ضبط جبل التناوب بحيث الحقل الكهربائي للمضخة الضوئية هي الموجهة لإثارة كفاءة من مأكل السطح موجات (العادي إلى حواجز شبكية plasmonic).
    3. استخدام محلل حدودي لتطبيق في وقت واحد الفولتية التحيز إلى كل جهاز وقياس التيار الكهربائي المستحث في كل جهاز. تأكيد الأمثل محاذاة المضخة البصرية والتكيف الاستقطاب من خلال تعظيم photocurrent من كل جهاز تحت الاختبار.
  2. الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف انتاج الطاقةurement.
    1. استخدام المروحية الضوئية (Thorlabs MC2000) لتعديل مضخة البصرية من تأمين وضع الحادث الليزر مضخة على كل جهاز.
    2. قياس انتاج الطاقة من plasmonic ضوئية نماذج باعث تيراهيرتز باستخدام كاشف كهربي حراري (كاشف الطيف، وشركة SPI-A-65 THz لل).
    3. وصل الناتج من كاشف كهربي حراري لقفل في مكبر للصوت (ستانفورد نظم البحوث SR830) مع تردد إشارة المروحية البصرية لاسترداد البيانات قوة تيراهيرتز في مستويات الضوضاء المنخفضة.
  3. الإشعاع توصيف الطيفية.
    1. تبدأ مع تي: ليزر الياقوت وضع غير الساحلية واستخدام الخائن شعاع لتقسيم الناتج من ليزر وضع حبيس شعاع مضخة وشعاع التحقيق.
    2. استخدام المغير electrooptic (Thorlabs EO-AM-NR-C2) لتعديل شعاع البصرية في مسار المضخة. تركيز شعاع مضخة على المنطقة النشطة من باعث ضوئية تحت الاختبار لتوليد إشعاع تيراهيرتز.
    3. Collimateشعاع تيراهيرتز إنشاؤها باستخدام البولي ايثيلين أول عدسة كروية. تركيز شعاع موازى تيراهيرتز باستخدام البولي ايثيلين عدسة كروية الثانية.
    4. قبل تركيز شعاع تيراهيرتز، والجمع بين شعاع موازى تيراهيرتز مع شعاع بصري التحقيق باستخدام عامل تصفية الزجاج المطلي ايتو.
    5. ضع 1 مم، <110> شنت تلوريد الزنك وضوح الشمس في مرحلة التناوب على التركيز المشترك لشعاع البصرية وتيراهيرتز.
    6. إدراج السيطرة عليها خط تأخير البصرية في مسار التحقيق البصرية باستخدام المرحلة الخطية بمحركات (Thorlabs NRT100) لتغيير التأخير الزمني بين النبضات الضوئية وتيراهيرتز التفاعل داخل الكريستال تلوريد الزنك.
    7. باستخدام نصف waveplate في مسار التحقيق، وتناوب على الاستقطاب من لجنة التحقيق البصرية لتكون في زاوية 45 درجة بالنسبة لاتجاه الاستقطاب تيراهيرتز.
    8. استخدام ربع waveplate بعد الكريستال تلوريد الزنك، تحويل الاستقطاب شعاع بصري إلى الاستقطاب الدائري.
    9. تقسيم circulشعاع بصري الاستقطاب آرلي إلى فرعين بواسطة المنشور ولاستون. قياس قوة شعاع بصري في كل فرع باستخدام اثنين من أجهزة الكشف عن متوازن متصلا قفل في مكبر للصوت.
    10. ربط بمحركات خط تأخير وقفل في مكبر للصوت لجهاز كمبيوتر. كتابة السيناريو مطلب لنقل تكراري الموقف من خط تأخير بمحركات، وقفة، وقراءة حجم إشارة من قفل في مكبر للصوت.
    11. تحويل موقف المرحلة إلى المجال الوقت، من خلال تقسيم مجموع بصري طول تأخير من سرعة الضوء، تليها حصيف تحويل فورييه (باستخدام ماتلاب) للحصول على البيانات نطاق التردد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

للتدليل على إمكانات أقطاب plasmonic لتيراهيرتز تعزيز السلطة، ونحن ملفقة اثنين من بواعث تيراهيرتز: أ التقليدية (الشكل 1A) وplasmonic (1B الشكل) باعث ضوئية دمج أقطاب الاتصال plasmonic إلى تقليل مرات نقل الناقل في الاتصال الأقطاب. تتكون كل التصاميم من الموصل الضوئي فائق السرعة مع 20 ميكرون الفجوة بين الأنود والكاثود اتصالات، متصلا 60 ميكرون هوائي ربطة العنق طويلة مع الحد الأقصى والحد الأدنى الاعراض من 100 ميكرون و 30 ميكرون، على التوالي، ملفقة على نفس LT-الغاليوم الركيزة. باعث ضوئية plasmonic تضم قسمين النانو حواجز شبكية الاتصال plasmonic بمنفذ مدخل الهوائي ربطة العنق. استراتيجية التصميم لالأمثل plasmonic الاتصال التكوين القطب هو تعظيم نقل مضخة البصرية في الصورة التي تمتص الركيزة مع التقليل من التباعد بين أقطاب plasmonic لتقليل متوسط ​​درجة الحموضةاوتو ولدت النقل الناقل طول المسار إلى أقطاب للإتصال به. ونحن نستخدم متعدد الفيزياء حلالا محدود من عنصر (COMSOL) لتقدير استجابة photoconductors مع تصميم أقطاب الاتصال plasmonic إلى مضخة البصرية الحادث. لهذا الغرض، وهو مستمد كثافة الناقل الصور المتولدة من شدة الضوئية تحسب في الركيزة الصورة التي تمتص وجنبا إلى جنب مع بيانات الحقل الكهربائي التحيز في نموذج العائمة نشر الكلاسيكية لحساب photocurrent يسببها 9. ويفضل المعادن مع خصائص plasmonic قوية في الطول الموجي البصري المضخة، لأنها تمكن الحبس ضيق للمضخة البصرية في واجهة معدنية، وبالتالي، وتقديم قصيرة النقل الناقل الصورة ولدت أطوال المسار إلى أقطاب للإتصال به. لإثبات صحة مفهوم plasmonic باعث ضوئية، قمنا بتصميم صريف plasmonic مع 100 نانومتر الاتحاد الافريقي العرض، 100 نانومتر تباعد، و 50 نانومتر الطول، والذي يسمح انتقال أكثر من 70٪ من الم البصرية 800 نانومترف من خلال حواجز شبكية النانو إلى الركيزة الصورة التي تمتص 11، 12. المضخة البصرية الحادث من تي: الياقوت الليزر بطول موجة 800 نانومتر المركزي، 76 نسبة الرسوب ميغاهيرتز، و 200 FSEC عرض النبض وتركز بإحكام على كل جهاز ملفقة (الشكل 2A) والمتمركزة بالقرب من القطب الاتصال الأنود لتعظيم المشعة السلطة 13-15. لتعظيم القدرة المشعة لباعث ضوئية التقليدية، وكان الحقل الكهربائي البصرية الموجهة لتمتد عبر الفجوة بين الأنود والكاثود أقطاب الاتصال. لباعث ضوئية plasmonic، كان الحقل الكهربائي عمودي التوجه إلى شبكات قضبان معدنية. وقد تم قياس قوة تيراهيرتز المتولدة من كل باعث ضوئية باستخدام كاشف كهربي حراري. يبين الشكل 2B الإشعاع تيراهيرتز تقاس من بواعث تيراهيرتز plasmonic والتقليدية، منحازة كهربائيا في 40 V، تحت مختلف القوى مضخة البصرية. طيظهر منحنى NSET في photocurrent المقابلة. ولوحظ وجود تعزيز قوة إشعاع أكثر من 33 من باعث ضوئية plasmonic في 0-25 ميغاواط مضخة البصرية نطاق السلطة. هذا الإشعاع هو تعزيز قوة كبيرة نظرا لمستويات أعلى photocurrent إنشاؤها عند استخدام أقطاب الاتصال plasmonic. الشكل 2C يظهر الإشعاع تيراهيرتز المقاسة مقابل photocurrent جمعت لبواعث تيراهيرتز plasmonic والتقليدية. البيانات الممثلة في مؤامرة تشمل مختلف الفولتية التحيز (10 - 40 V) تحت مختلف القوى مضخة الضوئية (5-25 ميغاواط). نقاط البيانات هي كل منحنى تركيبها على نفس الخط مع منحدر من 2، مما يؤكد تبعية الدرجة الثانية من قوة الإشعاع على photocurrent يسببها، وحقيقة أن جميع الظروف التشغيلية الأخرى (بما في ذلك مواصفات الهوائي) هي نفسها لالتقليدية و plasmonic نماذج باعث ضوئية. الشكل 2D تظهر قوة تعزيز إمكانية تيراهيرتزعامل ement يعرف بأنه نسبة من قوة تيراهيرتز المنبعثة من باعث تيراهيرتز plasmonic إلى باعث تيراهيرتز التقليدية. في انخفاض مستويات الطاقة مضخة البصرية والجهد التحيز من 30 V، خرج ويلاحظ قوة تعزيز العوامل ما يصل إلى 50. عامل تعزيز يقلل قليلا في أعلى مستويات السلطة مضخة البصرية والفولتية التحيز أعلى. ويمكن تفسير ذلك من تأثير الفحص الناقل، والتي ينبغي أن تؤثر على الموصل الضوئي plasmonic أكثر من الموصل الضوئي التقليدية، نظرا لأنه يتم توليد أكثر photocurrent وفصل عدد أكبر من الإلكترون حفرة أزواج. وأخيرا، أقصى قدر من السلطة تيراهيرتز تقاس من بواعث تيراهيرتز plasmonic والتقليدية تحت ميغاواط مضخة الضوئية 100 (2E الشكل). يتم زيادة الجهد التحيز من كل جهاز حتى نقطة فشل الجهاز. في الحد الأقصى، أنتجت باعث ضوئية plasmonic بمتوسط ​​قوة 250 μW، مقارنة μW 12 من باعث ضوئية التقليدية10.

الشكل 1
الشكل 1. الرسم التخطيطي ومفهوم عملية بواعث تيراهيرتز ضوئية. (أ) باعث تيراهيرتز ضوئية التقليدية. (ب) تيراهيرتز ضوئية plasmonic باعث دمج أقطاب الاتصال plasmonic. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

الشكل 2
الشكل 2. مقارنة بين بواعث تيراهيرتز ضوئية التقليدية وplasmonic 10 (أ) وصور جهاز ملفقة. (ب) الإشعاع تيراهيرتز تقاس من بواعث تيراهيرتز plasmonic والتقليدية، منحازة كهربائيا في 40 V، تحت مختلف القوى مضخة البصرية. يظهر منحنى أقحم الموافقonding photocurrent. (ج) الإشعاع تيراهيرتز تقاس مقابل photocurrent جمعت لبواعث تيراهيرتز plasmonic والتقليدية. البيانات الممثلة في مؤامرة تشمل مختلف الفولتية التحيز (10 - 40 V) تحت مختلف القوى مضخة الضوئية (5-25 ميغاواط). (د) تعزيز القوة النسبية تيراهيرتز يعرف بأنه نسبة من قوة تيراهيرتز المنبعثة من باعث تيراهيرتز plasmonic إلى باعث تيراهيرتز التقليدية. (ه) بقياس قوة تيراهيرتز القصوى من بواعث تيراهيرتز plasmonic والتقليدية تحت ميغاواط مضخة بصري 100. يتم زيادة الجهد التحيز من كل جهاز حتى نقطة فشل الجهاز. في الحد الأقصى، أنتجت باعث ضوئية plasmonic بمتوسط ​​قوة 250 μW، مقارنة μW 12 من باعث ضوئية التقليدية. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

الشكل (3). ويتم قياس الخصائص الطيفية للإشعاع باعث plasmonic ضوئية الطيف 10 الإشعاع في استجابة لنبض بصري FSEC 200 من تي مقفل الدراسي: ليزر الياقوت مع 800 نانومتر الطول الموجي المركزية و 76 ميغاهيرتز معدل الرسوب في إعداد التحليل الطيفي تيراهيرتز الوقت المجال مع كشف الكهربائية الضوئية. (أ) القدرة المشعة في المجال الزمني. (ب) القدرة المشعة في مجال التردد. وترتبط القمم الإشعاع المرصودة حوالي 0.35 و 0.55 THz للTHz للمع قمم الرنين للهوائي يعمل ربطة العنق، ويرتبط ذروة الإشعاع حوالي 0.1 THz للمع ذروة صدى للهوائي ثنائي القطب شكلتها خطوط التحيز هوائي ربطة العنق. اضغط هنا لل عرض أكبر شخصية .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في هذه المقالة الفيديو، نقدم رواية ضوئية تيراهيرتز تقنية الجيل الذي يستخدم plasmonic الاتصال التكوين الكهربائي لتعزيز كفاءة التحويل الضوئية إلى تيراهيرتز من قبل اثنين من أوامر من حجمها. الزيادة الكبيرة في قوة الإشعاع تيراهيرتز من بواعث ضوئية plasmonic المعروضة هي قيمة للغاية لمستقبل ذات حساسية عالية تيراهيرتز التصوير، والتحليل الطيفي وأنظمة قياس الطيف يستخدم لتحديد الكيميائية المتقدمة، والتصوير الطبي، والبيولوجية الاستشعار، والفلك، والغلاف الجوي الاستشعار، الفحص الأمني، و توصيف المواد.

وقد تم التركيز في هذه المقالة الفيديو المظاهرة من تأثير الأقطاب plasmonic في تعزيز photocurrent المستحث في photoconductors فائق السرعة والقدرة المشعة تيراهيرتز من بواعث تيراهيرتز ضوئية. وهكذا، فإن اختيار الهندسة المعمارية باعث ضوئية وتيراهيرتز يشع الهوائي، والأعلاف التحيزوقد تم في مظاهرة لدينا التعسفي، ومفهوم تعزيز يمكن تطبيقها على نحو مماثل لتعزيز قوة الإشعاع من بواعث تيراهيرتز ضوئية مع مجموعة متنوعة من الهوائيات تيراهيرتز مع وبدون أقطاب الاتصال interdigitated فضلا عن مساحة واسعة بواعث تيراهيرتز ضوئية في كل نابض ومستمر الموجة العملية. وفي هذا الصدد، يمكن انتاج الطاقة من أجهزة نموذجنا يتعزز من خلال استخدام تجاويف الرنين 3 و 16، والمناطق جهاز كبير بالموقع 17-22، وهوائيات مع ارتفاع مقاومة الإشعاع وعرض النطاق الترددي 23 و 24. وعلاوة على ذلك، فإن الكم آلية تعزيز كفاءة وصفها في photoconductors plasmonic يمكن استخدامها لتعزيز responsivity وكشف حساسية للكشف عن تيراهيرتز ضوئية، فضلا 25-27.

وتجدر الإشارة إلى أن الخطوة الأكثر أهمية لتنفيذ الأداء العالي plasmonic بواعث تيراهيرتز ضوئية هو باتterning الأقطاب الاتصال plasmonic. من جهة، وارتفاع امتصاص مضخة البصرية، وبالتالي أعلى كفاءة التحويل الضوئية إلى تيراهيرتز يمكن تحقيقه عن طريق استخدام أعلى نسبة الجانب-plasmonic أقطاب الاتصال. من ناحية أخرى، رفع تشغيل ميزات معدني سميك مع أحجام ميزة مقياس النانو يمثل تحديا لأنه يتطلب مقاومة طبقات سميكة، وبالتالي، على أعلى نسبة الارتفاع من الأقطاب الاتصال plasmonic يقتصر على قرار من أدوات الطباعة الحجرية شعاع الإلكترون الحالية.

ونحن نعتقد أن عملنا سوف تتطور في المستقبل القريب لدفع كفاءة التحويل الضوئية إلى تيراهيرتز من بواعث ضوئية plasmonic بأكثر من ثلاث درجات. في هذا الصدد، واستخدام ارتفاع نسبة الجانب أقطاب الاتصال plasmonic جزءا لا يتجزأ من داخل الصورة التي تمتص أشباه الموصلات 28-30 يسمح النقل فائق السرعة لغالبية photocarriers إلى الأقطاب الاتصال الضوئي وcontrib بكفاءةution إلى جيل تيراهيرتز. استخدام عالية نسبة الارتفاع أقطاب الاتصال plasmonic جزءا لا يتجزأ من داخل الصورة التي تمتص أشباه الموصلات كما يلغي الحاجة لاستخدام أشباه الموصلات قصيرة العمر الناقل، والتي تستخدم لقمع التيار DC من بواعث ضوئية (بصفة عامة) ومنع التدخلات المدمرة غير مرغوب فيها في المستمر بواعث ضوئية موجة (بشكل خاص). مما يلغي الحاجة لاستخدام أشباه الموصلات قصيرة العمر الناقل، التي لديها أقل التنقلات الناقل والتوصيلات الحرارية 31 مقارنة مع ارتفاع أشباه الموصلات البلورية جودة، قد يكون لها تأثير هام على مستقبل الطاقة العالية، وارتفاع كفاءة ضوئية بواعث تيراهيرتز. ويمكن أن يؤدي أيضا إلى جيل جديد من بواعث تيراهيرتز ضوئية على أساس الصورة التي تمتص أشباه الموصلات مع وظائف فريدة من نوعها (على سبيل المثال بواعث الضوئية القائمة على الجرافين التي تستفيد من التنقلات الناقل متفوقة أو باعث ضوئية المستندة إلى الجاليومق التي تستفيد من الموصلية الحرارية العالية).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

فإن الكتاب أود أن أشكر Picometrix لتوفير الركيزة LT-الغاليوم وامتنانهم للدعم المالي من ولاية ميشيغان الفضاء المنح اتحاد، DARPA جائزة كلية الشباب التي يديرها الدكتور جون ألبرخت (عقد # N66001-10-1-4027)، جبهة الخلاص الوطني وظيفيه جائزة يديرها الدكتور سمير الغزالي (عقد # N00014-11-1-0096)، ONR جائزة الباحث الشاب يديرها الدكتور بول ماكي (عقد # N00014-12-1-0947)، وARO جائزة الباحث الشاب تدار من قبل الدكتور ديف بالمر (عقد # 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics