【摘 要】
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太赫兹波(0.1-10 THz)凭借其安全性好、瞬间带宽大、穿透性强等特点在无损探测、空间通讯、大气研究等领域大放异彩。作为太赫兹技术的“眼睛”——太赫兹探测器承担着实现光电转化的重要作用,其中的光敏材料则起到了“视网膜”的作用,直接影响着探测器光电转换性能。现阶段的研究成果预示着以InGaAs、HgCdTe为代表的传统的光敏材料已经无法满足太赫兹探测器在室温下高灵敏度、快速响应、阵列集成等方面的
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太赫兹波(0.1-10 THz)凭借其安全性好、瞬间带宽大、穿透性强等特点在无损探测、空间通讯、大气研究等领域大放异彩。作为太赫兹技术的“眼睛”——太赫兹探测器承担着实现光电转化的重要作用,其中的光敏材料则起到了“视网膜”的作用,直接影响着探测器光电转换性能。现阶段的研究成果预示着以InGaAs、HgCdTe为代表的传统的光敏材料已经无法满足太赫兹探测器在室温下高灵敏度、快速响应、阵列集成等方面的需求。近年来,基于二维材料的太赫兹探测器的相关研究工作如雨后春笋般层出不穷。得益于载流子迁移率高、合成成本低、易于集成等特性,以PdSe2、SnSe2为代表的二维窄禁带半导体在可见-红外-太赫兹超宽带室温光电探测工作中独树一帜。在此基础上,本文基于二维窄带隙三元半导体Ta2NiSe5、NbFeTe2,通过人工设计天线诱导沟道光场不均匀分布、范德华异质构筑等方式对太赫兹探测器的性能进行了优化。主要研究成果如下。(1)以往关于反铁磁材料的研究多集中于各向异性磁阻、自旋极化操控等方面。值得一提的是,反铁磁材料的共振频率位于太赫兹波段,这种复杂的磁矩进动或将增强材料对太赫兹辐射的吸收。因此,我们选择使用反铁磁半导体NbFeTe2进行了太赫兹探测的尝试。基于密度泛函理论,使用第一性原理计算得到的NbFeTe2带隙约为0.4 me V。在此基础上,我们设计了具有开口谐振腔结构的天线。仿真结果显示,天线沟道处对太赫兹辐射的耦合强度约为非天线区域的200倍,而沟道两侧耦合强度的差异达到了5倍。这种天线结构为温度梯度驱动热载流子运动创造了有利环境,因而该器件在0.08-0.3 THz频段内零偏状态下的响应率、响应时间、噪声等效功率分别能够达到6.3 V/W、7.7μs、0.3nW/Hz0.5。随后,我们对NbFeTe2进行了范德华异质结构筑,发现异质结性能较纯材料有较大提升,且进一步验证了异质结具有抑制噪声和暗电流的能力。(2)鉴于激子绝缘体Ta2NiSe5在室温下属于二维直接窄带隙半导体材料,但纯材料在太赫兹波段响应有限的现状。我们基于二维材料易于进行范德华异质集成的特点,使用石墨烯与Ta2NiSe5进行异质构筑。在该异质结中,石墨烯起到了与接触电极类似的作用。由于Ta2NiSe5与金属(Cr/Au)或石墨烯接触的区域具有不同的塞贝克系数,会导致光热电效应的增强,因此该器件成功实现了室温下超灵敏自驱动探测,响应时间720 ns,在0.3 THz下电流响应率达到18.2 mA/W,噪声等效功率约55 nW/Hz0.5。本文基于两种窄带隙半导体材料,通过人工诱导非对称光场耦合和异质构筑的方式使探测器性能得到了优化。在对比中发现,这些探测器性能足以媲美已报道的探测器,具有广泛的应用前景。此外,本文中NbFeTe2的相关研究工作有望开拓反铁磁材料在太赫兹探测工作中的应用,为光敏材料的选择提供更优解。
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