Plasmonic photoconductive Terahertz emitters के डिजाइन, निर्माण, और प्रायोगिक विशेषता

Engineering

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Summary

हम डिजाइन, निर्माण, और पारंपरिक photoconductive उत्सर्जक की तुलना में परिमाण उच्च terahertz सत्ता के स्तर के दो आदेशों जो प्रस्ताव plasmonic photoconductive उत्सर्जक, की प्रयोगात्मक लक्षण वर्णन के लिए तरीके का वर्णन है.

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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).

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Abstract

इस वीडियो लेख में हम terahertz लहरों पैदा करने के लिए एक बेहद कारगर तरीका है एक विस्तृत प्रदर्शन प्रस्तुत करते हैं. हमारी तकनीक terahertz पीढ़ी 1-8 के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किया तकनीकों में से एक रहा है जो photoconduction, पर आधारित है. एक photoconductive emitter में terahertz पीढ़ी एक स्पंदित या heterodyned लेजर रोशनी के साथ एक ultrafast photoconductor पम्पिंग द्वारा हासिल की है. पंप लेजर का लिफाफा जो इस प्रकार प्रेरित photocurrent, terahertz विकिरण उत्पन्न करने photoconductor संपर्क इलेक्ट्रोड से जुड़े एक terahertz radiating एंटीना से कराई है. एक photoconductive emitter की मात्रा दक्षता सैद्धांतिक रूप से 100% तक पहुँच सकता है, पारंपरिक photoconductors के संपर्क इलेक्ट्रोड के लिए फोटो जनित वाहकों की अपेक्षाकृत लंबी परिवहन पथ लंबाई गंभीर रूप से उनके क्वांटम दक्षता सीमित है. इसके अतिरिक्त, वाहक स्क्रीनिंग प्रभाव और थर्मल टूटने सख्ती से अधिकतम उत्पादन पी सीमाower पारंपरिक photoconductive terahertz सूत्रों की. पारंपरिक photoconductive terahertz emitters की मात्रा दक्षता सीमाओं का पता करने के लिए, हम एक साथ उच्च मात्रा दक्षता और ultrafast आपरेशन की पेशकश करने के लिए एक plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड विन्यास को शामिल किया गया है जो एक नया photoconductive emitter की अवधारणा विकसित की है. नैनो पैमाने plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड का उपयोग करके, हम काफी पारंपरिक photoconductors 9 की तुलना photoconductor संपर्क इलेक्ट्रोड के लिए औसत फोटो जनित वाहक परिवहन मार्ग को कम. हमारे विधि भी उच्च ऑप्टिकल पंप शक्तियों पर वाहक स्क्रीनिंग प्रभाव और थर्मल टूटने को रोकने के द्वारा अधिकतम विकिरण terahertz शक्ति बढ़ाने, एंटीना को कैपेसिटिव लोडिंग में काफी वृद्धि के बिना बढ़ती photoconductor सक्रिय क्षेत्र की अनुमति देता है. शामिल plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड के द्वारा, हम एक पारंपरिक photoconductive ते की ऑप्टिकल करने वाली terahertz सत्ता परिवर्तन दक्षता बढ़ाने का प्रदर्शन50 10 का एक पहलू से rahertz emitter है.

Introduction

हम परिमाण के दो आदेशों द्वारा ऑप्टिकल करने वाली terahertz रूपांतरण दक्षता बढ़ाने के लिए एक plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड विन्यास का उपयोग करता है कि एक उपन्यास photoconductive terahertz emitter के प्रस्तुत करते हैं. हमारी तकनीक उच्च मात्रा दक्षता और पारंपरिक photoconductors की ultrafast के आपरेशन के बीच निहित tradeoff के आरंभ से जो पारंपरिक photoconductive terahertz उत्सर्जक, अर्थात् कम बिजली उत्पादन और गरीब शक्ति दक्षता, का सबसे महत्वपूर्ण सीमाओं को संबोधित करता है.

इस मेंढक कूद प्रदर्शन में सुधार के लिए नेतृत्व किया है कि हमारे डिजाइन में कुंजी सस्ता माल में से एक संपर्क इलेक्ट्रोड के पास फोटो जनित वाहक की एक बड़ी संख्या है, जम जाता है कि एक संपर्क इलेक्ट्रोड विन्यास डिजाइन करने के लिए वे भीतर एकत्र किया जा सकता है कि इस तरह के एक उप पीकोसैकन्ड timescale. दूसरे शब्दों में, photoconductor ultrafast के संचालन और उच्च मात्रा दक्षता के बीच tradeoff फोटो पीढ़ी के स्थानिक हेरफेर से कम हैटेड वाहक. Plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड (1) plasmonic इलेक्ट्रोड (विवर्तन सीमा से परे), धातु संपर्क में (2) असाधारण प्रकाश वृद्धि और अर्धचालक इंटरफ़ेस 10, 11 तस्वीर को अवशोषित के बीच nanoscale युक्ति सक्रिय क्षेत्रों में प्रकाश कारावास की अनुमति देकर इस अद्वितीय क्षमता प्रदान करते हैं. हमारे समाधान का एक अन्य महत्वपूर्ण विशेषता यह terahertz radiating एंटीना के परजीवी लोडिंग में काफी वृद्धि के बिना बड़ा photoconductor सक्रिय क्षेत्रों accommodates है. उपयोग बड़े photoconductor सक्रिय क्षेत्रों पारंपरिक photoconductive उत्सर्जक से अधिकतम विकिरण सत्ता के लिए अंतिम सीमाएं हैं जो वाहक स्क्रीनिंग प्रभाव और थर्मल टूटने, कम करने के लिए सक्षम करें. इस वीडियो लेख गवर्निंग भौतिकी, संख्यात्मक मॉडलिंग, और प्रयोगात्मक सत्यापन का वर्णन करके हमारी प्रस्तुत समाधान की अनूठी विशेषताओं पर ध्यान केंद्रित किया है. हम प्रयोगात्मक एक plasmonic phot से 50 गुना ज्यादा terahertz शक्तियों का प्रदर्शनगैर plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड के साथ एक समान photoconductive emitter के साथ तुलना में oconductive emitter है.

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Protocol

1. Plasmonic photoconductive Emitter निर्माण

  1. Plasmonic जाली बनाना.
    1. Isopropanol (2 मिनट) के बाद एसीटोन (2 मिनट) में डुबो, और विआयनीकृत पानी (10 सेकंड) के साथ rinsing द्वारा अर्धचालक वफ़र साफ करें.
    2. नाइट्रोजन के साथ नमूना सूखी और डिग्री सेल्सियस 90 सेकंड के लिए किसी भी शेष पानी को निकालने के लिए 115 पर एक hotplate पर यह गर्मी.
    3. 45 सेकंड के लिए 4000 rpm पर नमूना पर स्पिन MicroChem 950k PMMA, ए 4. पूर्व सेंकना 3 मिनट के लिए 180 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर विरोध.
    4. एक इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी उपकरण (JEOL JBX-6300-एफएस) में नमूना लोड. एक 100 केवी त्वरण वोल्टेज का उपयोग कर, 650 μC / 2 सेमी के आसपास एक आधार खुराक पर plasmonic झंझरी पैटर्न का खुलासा.
    5. एक MIBK में नमूना डुबो कर PMMA का विकास: 90 सेकंड के लिए आईपीए 01:03 मिश्रण. इसके तत्काल बाद 60 सेकंड के लिए शुद्ध isopropanol का समाधान करने के लिए नमूना हस्तांतरण.
    6. 10 सेकंड के लिए विआयनीकृत पानी के साथ नमूना कुल्ला और फिर नाइट्रोजन के साथ नमूना सूखी.
    7. एक प्लाज्मा स्ट्रिपर (हाँ, CV200RFS) में नमूना लोड. Descum 10 सेकंड के लिए एक 100 SCCM हे 2 प्रवाह की दर के साथ 30 डिग्री सेल्सियस से कम 30 डब्ल्यू आरएफ शक्ति का उपयोग नमूना.
    8. एक एचसीएल में डुबो कर सतह ऑक्साइड निकालें: 30 सेकंड के लिए एच 2 0 03:10 मिश्रण. इसके तत्काल बाद 4 मिनट के लिए विआयनीकृत पानी का कुल्ला एक झरना करने के लिए नमूना हस्तांतरण.
    9. धातु बयान से पहले वायुमंडलीय ऑक्सीजन के लिए जोखिम कम करने के लिए विआयनीकृत पानी की एक बीकर नमूना स्थानांतरण.
    10. एक धातु बाष्पीकरण (डेंटन एसजे-20) को विआयनीकृत पानी में नमूना युक्त बीकर लो. कक्ष के बाहर निकलने और फिर, हटाने सूखी, और चैम्बर (इन चरणों का नमूना पर सतह ऑक्साइड बनने से रोकने के लिए बिना किसी रुकावट के बाद किया जाना चाहिए) में नमूना लोड.
    11. 2x10 -6 Torr नीचे एक दबाव के चैम्बर पम्प. जमा तिवारी / एयू (50/450).
    12. कक्ष के बाहर निकलने और नमूना हटा दें.
    13. जमा धातु लिफ्ट बंद करने के लिए, एक में एक Teflon धारक पर नमूना जगहएसीटोन का बीकर, कवर, और रात भर छोड़ दें. बीकर उजागर, एक अल्ट्रासोनिक आंदोलनकारी में जगह है, और सभी अवांछित धातु (आमतौर पर 30 सेकंड) निकाल दिया जाता है जब तक प्रतीक्षा करें.
  2. जमा SiO 2 passivation.
    1. 1.1.2 - कदम 1.1.1 में के रूप में नमूना साफ करें.
    2. एक प्लाज्मा बढ़ाया रासायनिक वाष्प जमाव उपकरण (जीएसआई PECVD) में नमूना लोड. 200 डिग्री सेल्सियस पर SiO 2 की जमा 1500 एक
  3. SiO 2 के माध्यम से संपर्क विअस खोलें.
    1. 1.1.2 - कदम 1.1.1 में के रूप में नमूना साफ करें.
    2. 30 सेकंड के लिए 4000 rpm पर HMDS पर स्पिन. 30 सेकंड के लिए 4000 rpm पर Megaposit एसपीआर 220-3.0 photoresist पर स्पिन. पूर्व सेंकना 90 सेकंड के लिए 115 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर विरोध.
    3. प्रक्षेपण लिथोग्राफी स्टेपर (जीसीए autostep 200) में नमूना और मुखौटा प्लेट लोड. नमूना संरेखित और बेनकाब.
    4. 90 सेकंड के लिए 115 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर उजागर photoresist पोस्ट सेंकना.
    5. 6 के लिए AZ 300 MIF डेवलपर में विरोध का विकास0 सेकंड.
    6. इसके तत्काल बाद एक झरना करने के लिए नमूना ले जाने के 4 मिनट के लिए विआयनीकृत पानी का कुल्ला. नाइट्रोजन के साथ नमूना सूखी.
    7. एक प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाश (LAM 9400) में नमूना लोड. 500 डब्ल्यू के एक टीसीपी आरएफ शक्ति का उपयोग कर खोदना SiO 2, 100 डब्ल्यू के एक पूर्वाग्रह आरएफ शक्ति, के 15 SCCM SF6-, सी 4 एफ 8, उन्होंने कहा की 50 SCCM के 50 SCCM, 80 सेकंड के लिए एर के 50 SCCM.
    8. Isopropanol (2 मिनट) के बाद एसीटोन (5 मिनट) में नमूना रखकर photoresist की थोक निकालें. विआयनीकृत पानी (10 सेकंड) में कुल्ला. नाइट्रोजन के साथ सूखी.
    9. एक प्लाज्मा स्ट्रिपर (हाँ, CV200RFS) में नमूना लोड करके अवशिष्ट photoresist निकालें. 5 मिनट के लिए एक 100 SCCM हे 2 प्रवाह की दर के साथ 30 डिग्री सेल्सियस पर 800 डब्ल्यू आरएफ शक्ति का उपयोग photoresist निकालें.
  4. एंटेना और पूर्वाग्रह लाइनों बनाना.
    1. पैटर्न एंटेना और पूर्वाग्रह लाइनों के लिए 1.3.6 - कदम 1.3.1 दोहराएँ.
    2. 1.1.9 सतह ऑक्साइड को हटाने के लिए - कदम 1.1.8 दोहराएँ.
    3. नमूना युक्त बीकर लो औरएक धातु बाष्पीकरण (डेंटन एसजे-20) को पानी विआयनीकृत.
    4. कक्ष के बाहर निकलने और फिर जल्दी से हटाने सूखी, और चेंबर में नमूना लोड.
    5. 2x10 -6 Torr नीचे एक दबाव के चैम्बर पम्प. जमा तिवारी / एयू (10/4, 000 ए).
    6. कक्ष के बाहर निकलने और नमूना हटा दें.
    7. के लिए लिफ्ट बंद जमा धातु चरण 1.1.13 दोहराएँ.
  5. नमूना पैकेज.
    1. गोंद 8 मिमी छेद के साथ एक 2 इंच एल्यूमीनियम वॉशर के लिए एक 12 मिमी व्यास अति अर्धगोल सिलिकॉन लेंस के किनारों.
    2. गोंद धातु निशान के साथ पीसीबी बोर्ड, जो एक एल्यूमीनियम वॉशर के लिए, आसानी से मिलाप कर सकते हैं.
    3. पतली epoxy का उपयोग सिलिकॉन लेंस पर गढ़े plasmonic photoconductive terahertz emitter के प्रोटोटाइप माउंट.
    4. उसी एल्यूमीनियम वॉशर पर चिपके एक पीसीबी बोर्ड को तार बंधन डिवाइस संपर्क पैड.
    5. पीसीबी बोर्ड पर धातु निशान को मिलाप तारों.
    6. एक पैरामीट्रिक विश्लेषक (हेवलेट पैक करने के लिए डिवाइस के संपर्क पैड से कनेक्ट करेंपरीक्षण प्रयोजनों के लिए पीसीबी बोर्ड की इसी पैड को soldered तारों का उपयोग अर्द 4155A).

2. Plasmonic photoconductive Emitter विशेषता

  1. डिवाइस संरेखण.
    1. एक रोटेशन माउंट पर plasmonic photoconductive terahertz emitter के प्रोटोटाइप ले जाने एल्यूमीनियम वॉशर प्लेस और कसकर एक तिवारी से ऑप्टिकल पंप ध्यान केंद्रित: नीलम प्रत्येक डिवाइस के सक्रिय क्षेत्र पर लेजर (मीरा 900D V10 के XW ऑप्ट 110V) मोड बंद कर दिया.
    2. ऑप्टिकल पंप का बिजली क्षेत्र की सतह plasmon तरंगों (plasmonic gratings के लिए सामान्य) के कुशल उत्तेजना के लिए उन्मुख है कि इस तरह के रोटेशन माउंट समायोजित करें.
    3. साथ ही साथ प्रत्येक डिवाइस के लिए पूर्वाग्रह वोल्टेज लागू करते हैं और प्रत्येक डिवाइस में प्रेरित विद्युत धारा को मापने के लिए पैरामीट्रिक विश्लेषक का उपयोग करें. परीक्षण के तहत प्रत्येक डिवाइस के photocurrent अधिकतम द्वारा इष्टतम ऑप्टिकल पंप संरेखण और ध्रुवीकरण समायोजन की पुष्टि करें.
  2. बिजली उत्पादन measurement.
    1. प्रत्येक डिवाइस पर मोड बंद पंप लेजर घटना से ऑप्टिकल पंप मिलाना एक ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर (Thorlabs MC2000) का प्रयोग करें.
    2. एक pyroelectric डिटेक्टर (स्पेक्ट्रम डिटेक्टर, Inc एसपीआई-A-65 THz) का उपयोग plasmonic photoconductive terahertz emitter के प्रोटोटाइप का उत्पादन शक्ति को मापने.
    3. करने के लिए एक ताला में कम शोर के स्तर पर terahertz शक्ति डेटा को ठीक करने के लिए ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर के संदर्भ आवृत्ति के साथ एम्पलीफायर (स्टैनफोर्ड रिसर्च सिस्टम्स SR830). Pyroelectric डिटेक्टर के उत्पादन में कनेक्ट
  3. विकिरण वर्णक्रमीय लक्षण वर्णन.
    1. नीलम मोड बंद लेजर और एक पंप किरण और एक जांच बीम में मोड बंद लेजर के उत्पादन में विभाजित करने के लिए एक बीम फाड़नेवाला का उपयोग करें: एक तिवारी के साथ शुरू करो.
    2. पंप पथ में ऑप्टिकल किरण मिलाना एक electrooptic न्यूनाधिक (Thorlabs ईओ-AM-NR-सी 2) का प्रयोग करें. Terahertz विकिरण उत्पन्न करने के लिए परीक्षण के अंतर्गत photoconductive emitter के सक्रिय क्षेत्र पर पंप बीम ध्यान दें.
    3. संधानिकपहली बार एक पॉलीथीन गोलाकार लेंस का उपयोग कर उत्पन्न terahertz किरण. एक दूसरे पॉलीथीन गोलाकार लेंस का उपयोग collimated terahertz बीम ध्यान दें.
    4. Terahertz बीम का ध्यान केंद्रित करने से पहले, एक आईटीओ लेपित गिलास फिल्टर का उपयोग कर जांच ऑप्टिकल किरण के साथ collimated terahertz किरण गठबंधन.
    5. मोटी 1 मिमी, जगह <110> ZnTe क्रिस्टल ऑप्टिकल और terahertz किरण की संयुक्त ध्यान केंद्रित पर एक रोटेशन मंच पर मुहिम शुरू की.
    6. ZnTe क्रिस्टल के अंदर बातचीत ऑप्टिकल terahertz और दालों के बीच के समय में देरी भिन्न करने के लिए एक मोटर रैखिक चरण (Thorlabs NRT100) का उपयोग करके ऑप्टिकल जांच पथ में चलाया देरी ऑप्टिकल लाइन डालें.
    7. जांच के रास्ते में एक आधा waveplate का प्रयोग, terahertz ध्रुवीकरण दिशा करने के लिए एक 45 डिग्री कोण रिश्तेदार पर होना करने के लिए ऑप्टिकल जांच के ध्रुवीकरण घुमाएगी.
    8. ZnTe क्रिस्टल के बाद एक चौथाई waveplate प्रयोग, परिपत्र ध्रुवीकरण में ऑप्टिकल बीम ध्रुवीकरण परिवर्तित.
    9. Circul भाजितएक Wollaston के चश्मे से दो शाखाओं में आर्ली polarized ऑप्टिकल बीम. एक ताला में एम्पलीफायर से जुड़े दो संतुलित डिटेक्टरों का उपयोग कर प्रत्येक शाखा में ऑप्टिकल बीम शक्ति उपाय.
    10. एक कंप्यूटर के लिए मोटर विलंब लाइन और लॉक इन एम्पलीफायर जुड़ें. Iteratively मोटर विलंब लाइन, ठहराव की स्थिति के लिए कदम है, और से संकेत परिमाण में ताला एम्पलीफायर को पढ़ने के लिए एक Matlab स्क्रिप्ट लिखें.
    11. प्रकाश की गति से कुल ऑप्टिकल देरी लंबाई विभाजित के माध्यम से, समय डोमेन के लिए मंच स्थिति कन्वर्ट, आवृत्ति डोमेन डेटा प्राप्त करने के लिए एक विचारशील फूरियर (Matlab का उपयोग) के द्वारा पीछा किया.

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Representative Results

इलेक्ट्रोड संपर्क करने के लिए वाहक परिवहन समय को कम करने के लिए plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड शामिल एक पारंपरिक (चित्रा 1 क) और plasmonic (चित्रा 1 बी) में photoconductive emitter है: terahertz शक्ति बढ़ाने के लिए plasmonic इलेक्ट्रोड की क्षमता प्रदर्शित करने के लिए, हम दो terahertz उत्सर्जक गढ़े. दोनों डिजाइन ही लेफ्टिनेंट GaAs सब्सट्रेट पर गढ़े क्रमशः 100 माइक्रोन और 30 माइक्रोन, का अधिकतम और न्यूनतम चौड़ाई के साथ एक 60 माइक्रोन लंबे bowtie एंटीना से जुड़ा एनोड और कैथोड संपर्कों के बीच 20 माइक्रोन अंतर के साथ एक ultrafast photoconductor, से मिलकर बनता है. plasmonic photoconductive emitter के bowtie एंटीना के इनपुट बंदरगाह में दो nanoscale plasmonic संपर्क gratings में शामिल किया गया. औसत पीएच कम करने के लिए plasmonic इलेक्ट्रोड के बीच अंतर कम करते हुए इष्टतम plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड विन्यास के लिए डिजाइन की रणनीति तस्वीर को अवशोषित सब्सट्रेट में ऑप्टिकल पंप संचरण अधिकतम हैसंपर्क इलेक्ट्रोड वाहक परिवहन पथ लंबाई oto उत्पन्न. हम एक घटना ऑप्टिकल पंप करने के लिए डिजाइन plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड के साथ photoconductors की प्रतिक्रिया का अनुमान लगाने के लिए एक बहु - भौतिकी परिमित तत्व सॉल्वर (COMSOL) का उपयोग करें. इस प्रयोजन के लिए, फोटो जनित वाहक घनत्व तस्वीर को अवशोषित सब्सट्रेट में गणना ऑप्टिकल तीव्रता से ली गई है और प्रेरित photocurrent 9 गणना करने के लिए शास्त्रीय बहाव प्रसार मॉडल में पूर्वाग्रह बिजली के क्षेत्र में डेटा के साथ संयुक्त. वे संपर्क इलेक्ट्रोड को कम फोटो जनित वाहक परिवहन पथ लंबाई की पेशकश करते हैं, इस प्रकार, धातु इंटरफेस में ऑप्टिकल पंप से तंग कारावास सक्षम और बाद पंप ऑप्टिकल तरंगदैर्ध्य पर मजबूत plasmonic गुण के साथ धातु, पसंद कर रहे हैं. सबूत की अवधारणा plasmonic photoconductive emitter के लिए, हम एक 800 एनएम ऑप्टिकल पम की 70% से अधिक के प्रसारण की अनुमति देता है जो 100 एनएम एयू चौड़ाई, 100 एनएम रिक्ति, और 50 एनएम ऊंचाई के साथ एक plasmonic झंझरी बनाया गयातस्वीर को अवशोषित सब्सट्रेट 11, 12 में nanoscale gratings के माध्यम से पी. एक तिवारी से घटना ऑप्टिकल पंप: एक केंद्रीय 800 एनएम के तरंग दैर्ध्य, 76 मेगाहर्ट्ज पुनरावृत्ति दर, और 200 FSEC पल्स चौड़ाई के साथ नीलमणि लेजर कसकर प्रत्येक गढ़े डिवाइस (चित्रा 2) पर केंद्रित है और निकलने को अधिकतम करने के एनोड संपर्क इलेक्ट्रोड के पास तैनात किया गया था बिजली 13-15. पारंपरिक photoconductive emitter के लिए निकलने वाली बिजली को अधिकतम करने के लिए, ऑप्टिकल बिजली के क्षेत्र एनोड और कैथोड संपर्क इलेक्ट्रोड के बीच की खाई को पार अवधि के लिए उन्मुख किया गया था. Plasmonic photoconductive emitter के लिए, बिजली के क्षेत्र धातु gratings के लिए उन्मुख सीधा था. प्रत्येक photoconductive emitter से उत्पन्न terahertz शक्ति एक pyroelectric डिटेक्टर का उपयोग करके मापा गया था. चित्रा 2b विभिन्न ऑप्टिकल पंप शक्तियों के तहत विद्युत 40 वी पर पक्षपाती plasmonic और पारंपरिक terahertz उत्सर्जक, से मापा terahertz विकिरण से पता चलता है. मैंNset वक्र इसी photocurrent से पता चलता है. 25 मेगावाट ऑप्टिकल पंप शक्ति सीमा - 33 से अधिक के एक विकिरण शक्ति बढ़ाने 0 में plasmonic photoconductive emitter से मनाया गया. यह महत्वपूर्ण विकिरण शक्ति बढ़ाने plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड रोजगार उत्पन्न जब उच्च photocurrent स्तर की वजह से है. चित्रा 2c plasmonic और पारंपरिक terahertz emitters के लिए एकत्र photocurrent बनाम मापा terahertz विकिरण से पता चलता है. विभिन्न ऑप्टिकल पंप शक्तियों के तहत (5 - 25 मेगावाट) - साजिश में प्रतिनिधित्व डेटा विभिन्न पूर्वाग्रह वोल्टेज (40 वी 10) शामिल हैं. डेटा बिंदुओं सब प्रेरित photocurrent और (एंटीना विनिर्देशों सहित) सभी अन्य परिचालन की स्थिति में पारंपरिक के लिए ही कर रहे हैं कि इस तथ्य पर विकिरण बिजली की द्विघात निर्भरता की पुष्टि 2 की एक ढाल के साथ ही लाइन को वक्र फिट हैं और plasmonic photoconductive emitter के प्रोटोटाइप. चित्रा 2d terahertz शक्ति बढ़ाने से पता चलता हैement कारक पारंपरिक terahertz emitter को plasmonic terahertz emitter के द्वारा उत्सर्जित terahertz शक्ति के अनुपात के रूप में परिभाषित किया. कम ऑप्टिकल पंप सत्ता के स्तर और 30 वी के एक पूर्वाग्रह वोल्टेज, कम उत्पादन 50 को शक्ति वृद्धि कारकों मनाया जाता है. वृद्धि कारक उच्च ऑप्टिकल पंप सत्ता के स्तर और उच्च पूर्वाग्रह voltages में थोड़ा कम हो जाती है. यह अधिक photocurrent पैदा करने और इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े की एक बड़ी संख्या को अलग करने के बाद से यह वाहक स्क्रीनिंग प्रभाव से समझाया जा सकता है, जो, plasmonic photoconductor पारंपरिक photoconductor से अधिक प्रभावित करना चाहिए. अंत में, अधिकतम terahertz शक्ति एक 100 मेगावाट ऑप्टिकल पंप (चित्रा 2 ई) के तहत plasmonic और पारंपरिक terahertz उत्सर्जक से मापा. प्रत्येक डिवाइस के पूर्वाग्रह वोल्टेज डिवाइस विफलता के बिंदु तक की वृद्धि हुई है. अधिकतम पर, plasmonic photoconductive emitter के पारंपरिक photoconductive emitter के 12 μW की तुलना में 250 μW के एक औसत बिजली उत्पादन10.

चित्रा 1
चित्रा 1. योजनाबद्ध आरेख और photoconductive terahertz emitters के ऑपरेशन की अवधारणा. (क) एक पारंपरिक photoconductive terahertz emitter है. (ख) plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड शामिल एक plasmonic photoconductive terahertz emitter है. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 2
चित्रा 2. पारंपरिक और plasmonic photoconductive terahertz emitters की तुलना 10. (एक) गढ़े डिवाइस छवियों. विभिन्न ऑप्टिकल पंप शक्तियों के तहत विद्युत 40 वी पर पक्षपाती plasmonic और पारंपरिक terahertz उत्सर्जक से, (ख) मापा विकिरण terahertz. इनसेट वक्र corresp से पता चलता हैphotocurrent onding. (ग) मापा terahertz विकिरण plasmonic और पारंपरिक terahertz emitters के लिए एकत्र photocurrent बनाम. विभिन्न ऑप्टिकल पंप शक्तियों के तहत (5 - 25 मेगावाट) - साजिश में प्रतिनिधित्व डेटा विभिन्न पूर्वाग्रह वोल्टेज (40 वी 10) शामिल हैं. (घ) सापेक्ष terahertz शक्ति बढ़ाने के लिए plasmonic terahertz emitter के द्वारा उत्सर्जित terahertz शक्ति के अनुपात के रूप में परिभाषित पारंपरिक terahertz emitter है. (ई) अधिकतम terahertz शक्ति एक 100 मेगावाट ऑप्टिकल पंप तहत plasmonic और पारंपरिक terahertz उत्सर्जक से मापा. प्रत्येक डिवाइस के पूर्वाग्रह वोल्टेज डिवाइस विफलता के बिंदु तक की वृद्धि हुई है. अधिकतम पर, plasmonic photoconductive emitter के पारंपरिक photoconductive emitter के 12 μW की तुलना में 250 μW के एक औसत बिजली उत्पादन किया. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 3. . नीलमणि लेजर एक समय डोमेन terahertz स्पेक्ट्रोस्कोपी सेटअप में 800 एनएम केंद्रीय तरंगदैर्ध्य और 76 मेगाहर्ट्ज पुनरावृत्ति दर के साथ साथ: plasmonic photoconductive emitter के विकिरण 10 विकिरण स्पेक्ट्रम के वर्णक्रमीय विशेषताओं मोड बंद तिवारी से एक 200 FSEC ऑप्टिकल नाड़ी के जवाब में मापा जाता है इलेक्ट्रो ऑप्टिक पता लगाने. (एक) समय क्षेत्र में बिजली विकिर्ण. (ख) आवृत्ति डोमेन में बिजली विकिर्ण. 0.35 THz और 0.55 THz के आसपास मनाया विकिरण चोटियों कार्यरत bowtie एंटीना की गूंज चोटियों के साथ जुड़े रहे हैं, और 0.1 THz के आसपास विकिरण शिखर bowtie एंटीना पूर्वाग्रह लाइनों द्वारा गठित द्विध्रुवीय एंटीना की गूंज चोटी के साथ जुड़ा हुआ है. यहां क्लिक करें बड़ा आंकड़ा देखने .

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Discussion

इस वीडियो लेख में, हम परिमाण के दो आदेशों द्वारा ऑप्टिकल करने वाली terahertz रूपांतरण दक्षता बढ़ाने के लिए एक plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड विन्यास का उपयोग करता है कि एक उपन्यास photoconductive terahertz पीढ़ी तकनीक मौजूद है. प्रस्तुत plasmonic photoconductive उत्सर्जक से विकिरण terahertz शक्ति में उल्लेखनीय वृद्धि भविष्य उच्च संवेदनशीलता terahertz इमेजिंग, स्पेक्ट्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोमेट्री सिस्टम उन्नत रासायनिक पहचान के लिए इस्तेमाल किया, मेडिकल इमेजिंग, जैविक संवेदन, खगोल विज्ञान, वायुमंडलीय संवेदन, सुरक्षा जांच, और के लिए बहुत मूल्यवान है सामग्री लक्षण.

इस वीडियो लेख का ध्यान ultrafast photoconductors में प्रेरित photocurrent बढ़ाने में plasmonic इलेक्ट्रोड के प्रभाव का प्रदर्शन किया गया है और photoconductive terahertz उत्सर्जक से terahertz शक्ति निकलने वाली. इस प्रकार, photoconductive emitter के वास्तुकला का चुनाव terahertz, एंटीना radiating, और पूर्वाग्रह फ़ीडहमारे प्रदर्शन में मनमाने ढंग से किया गया है, और वृद्धि की अवधारणा इसी तरह के interdigitated संपर्क इलेक्ट्रोड के रूप में भी बड़े क्षेत्र में photoconductive terahertz emitters के साथ और बिना terahertz एंटेना की एक किस्म के साथ photoconductive terahertz उत्सर्जक से विकिरण शक्ति बढ़ाने के लिए लागू किया जा सकता स्पंदित और सतत दोनों लहर आपरेशन. इस संबंध में हमारे प्रोटोटाइप उपकरणों की बिजली उत्पादन गूंज गुहाओं 3, 16, बड़ी युक्ति सक्रिय क्षेत्रों 17-22, और उच्च विकिरण प्रतिरोध और बैंडविड्थ 23, 24 के साथ एंटेना के प्रयोग के माध्यम से बढ़ाया जा सकता है. इसके अलावा, plasmonic photoconductors में वर्णित मात्रा दक्षता बढ़ाने के तंत्र के रूप में अच्छी तरह से 25-27, photoconductive terahertz डिटेक्टरों की responsivity और पता लगाने की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.

यह उच्च प्रदर्शन plasmonic photoconductive terahertz उत्सर्जक को लागू करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण कदम थपथपाना है कि ध्यान दिया जाना चाहिएplasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड terning. एक ओर, उच्च ऑप्टिकल पंप अवशोषण और, इस प्रकार, उच्चतर पर ऑप्टिकल करने वाली terahertz रूपांतरण क्षमता उच्च पहलू अनुपात plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है. यह मोटी परतों के विरोध और, इसलिए, plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड के उच्चतम पहलू अनुपात मौजूदा इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी उपकरणों के संकल्प के लिए सीमित है की आवश्यकता के बाद से दूसरी तरफ, नैनो स्केल सुविधा आकार के साथ मोटी धातु सुविधाओं से उठाने चुनौती दे रहा है.

हम अपने काम के परिमाण के तीन से अधिक के आदेश से plasmonic photoconductive emitters के ऑप्टिकल करने वाली terahertz रूपांतरण दक्षता पुश करने के लिए निकट भविष्य में विकसित होगा. इस संबंध में तस्वीर को अवशोषित अर्धचालक 28-30 अंदर एम्बेडेड उच्च पहलू अनुपात plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड का उपयोग photoconductor संपर्क इलेक्ट्रोड और उनके कुशल योगदान करने photocarriers के बहुमत के ultrafast के परिवहन की अनुमति देता हैterahertz पीढ़ी को ution. अंदर एम्बेडेड उच्च पहलू अनुपात plasmonic संपर्क इलेक्ट्रोड का उपयोग करें फोटो अवशोषित अर्धचालक भी photoconductive उत्सर्जक के दबाकर डीसी वर्तमान (सामान्य) के लिए और में अवांछित विनाशकारी हस्तक्षेप को रोकने के लिए उपयोग किया जाता है जो कम वाहक जीवनकाल अर्धचालक, का उपयोग करने के लिए की आवश्यकता समाप्त सतत लहर photoconductive उत्सर्जक (विशिष्ट) में है. भविष्य उच्च शक्ति और उच्च दक्षता photoconductive terahertz उत्सर्जक पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है, उच्च गुणवत्ता क्रिस्टलीय अर्धचालक की तुलना में कम वाहक mobilities और थर्मल conductivities 31 है जो कम वाहक जीवनकाल अर्धचालक, का उपयोग करने के लिए की आवश्यकता होगी खत्म करना. यह भी आधार पर photoconductive terahertz emitters की एक नई पीढ़ी को जन्म दे सकता तस्वीर को अवशोषित अद्वितीय functionalities के (जैसे ग्राफीन आधारित photoconductive emitters के साथ अर्धचालकों कि बेहतर वाहक mobilities या गण मन आधारित photoconductive emitter से लाभबेहतर थर्मल चालकता से है कि लाभ).

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Disclosures

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

Acknowledgments

लेखकों लेफ्टिनेंट GaAs सब्सट्रेट प्रदान करने के लिए Picometrix को धन्यवाद देता हूं और आभार मिशिगन अंतरिक्ष अनुदान कंसोर्टियम, डॉ. जॉन अल्ब्रेक्ट (अनुबंध # N66001-10-1-4027), NSF कैरियर द्वारा प्रबंधित DARPA के युवा संकाय पुरस्कार से वित्तीय सहायता स्वीकार करेगा पुरस्कार डॉ. समीर अल Ghazaly (अनुबंध # N00014-11-1-0096), डॉ. पॉल माकी (अनुबंध # N00014-12-1-0947) द्वारा प्रबंधित ONR युवा अन्वेषक पुरस्कार, और द्वारा प्रबंधित एआरओ युवा अन्वेषक पुरस्कार द्वारा प्रबंधित डॉ. देव पामर (अनुबंध # 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

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References

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