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當(dang)前位置(zhi)：首頁技術文章(zhang)聊(liao)城大(da)學(xue)等：基於(yu)PμSL面(mian)向6G的(de)非(fei)制(zhi)冷(leng)蝴蝶(die)結陣列(lie)光增強太赫茲(zi)探(tan)測(ce)器

聊(liao)城(cheng)大學(xue)等：基於(yu)PμSL面(mian)向6G的(de)非(fei)制(zhi)冷(leng)蝴蝶(die)結陣列(lie)光增強太赫茲(zi)探(tan)測(ce)器

更(geng)新時(shi)間：2024-04-15

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面(mian)向6G技術的(de)高靈敏(min)度太赫茲(zi)探(tan)測(ce)技術在(zai)國(guo)防(fang)安全、遙感(gan)遙測、空(kong)間通(tong)信(xin)、大氣監(jian)測(ce)、生(sheng)化傳感(gan)、光譜分(fen)析等領(ling)域有著廣泛的(de)應(ying)用(yong)前景(jing)和市(shi)場(chang)需求。開(kai)展(zhan)高性能(neng)多(duo)元化(hua)的(de)太赫茲(zi)探(tan)測(ce)技術研究不(bu)僅具有重要的(de)科(ke)學(xue)意義(yi)，同(tong)時(shi)對(dui)於(yu)國(guo)家重要信(xin)息基礎(chu)設(she)施和(he)社會(hui)經濟發(fa)展(zhan)也(ye)具有重要的(de)戰略(lve)意義(yi)和(he)經濟社會(hui)效益(yi)。因此，如(ru)何(he)在(zai)常溫下(xia)單位面(mian)積內實(shi)現(xian)對(dui)低功(gong)率密度(du)空(kong)間結構太赫茲(zi)信(xin)號的(de)高靈敏(min)響應(ying)及(ji)時(shi)頻探測(ce)，壹直是(shi)本(ben)領(ling)域內的(de)前沿(yan)研究熱(re)點之壹。然(ran)而，太赫茲(zi)器(qi)件(jian)生(sheng)產中存在(zai)的(de)如高精度(du)、低成(cheng)本(ben)、可(ke)控、批量(liang)生(sheng)產等問題(ti)迫(po)切需要解決。

近期，聊(liao)城大學(xue)的(de)張(zhang)丙(bing)元(yuan)教(jiao)授(shou)、宋琦(qi)副(fu)教(jiao)授(shou)團(tuan)隊(dui)聯合廈(sha)門理(li)工學(xue)院林(lin)洪(hong)沂副(fu)教(jiao)授(shou)設(she)計了(le)壹種3D蝴蝶(die)結結構陣列(lie)覆蓋(gai)外(wai)爾半金(jin)屬(shu)薄膜的(de)太赫茲(zi)波(bo)探測(ce)器，並(bing)實現(xian)了外(wai)加(jia)光場增強其性能(neng)。該(gai)團(tuan)隊(dui)利(li)用摩(mo)方精(jing)密面(mian)投影(ying)微立體光刻(ke)（PμSL）技術，借助(zhu)nanoArch® S130（精(jing)度(du)：2 μm )3D打(da)印(yin)設(she)備實現(xian)了(le)微結構陣列(lie)的(de)低成(cheng)本(ben)高精度(du)制(zhi)備，並(bing)在(zai)器(qi)件(jian)上制(zhi)備高質量(liang)外(wai)爾半金(jin)屬(shu)薄膜，獲(huo)得(de)具有高靈敏(min)度、低等效噪(zao)聲功(gong)率(lv)和(he)有效(xiao)探測(ce)面(mian)積大(da)的(de)太赫茲(zi)波(bo)探測(ce)器。該(gai)制(zhi)備方法(fa)成(cheng)功解(jie)決(jue)了(le)非(fei)制(zhi)冷(leng)高靈敏(min)度大(da)面(mian)積的(de)太赫茲(zi)探(tan)測(ce)器靈(ling)敏(min)度可(ke)由外(wai)場(chang)增強的(de)問題(ti)，進(jin)壹步(bu)驗證了面(mian)投影(ying)微立體光刻(ke)（PμSL）技術用於制(zhi)備6G波(bo)段的(de)非(fei)制(zhi)冷(leng)高性能(neng)太赫茲(zi)探(tan)測(ce)器的(de)可行(xing)性。

相關成(cheng)果以“3D Bowtie Microarray Terahertz Detector Enhanced by Laser Excitation"為(wei)題(ti)發(fa)表(biao)在(zai)《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊(kan)上。

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圖1 設(she)備設(she)計與(yu)表(biao)征(zheng).(a)WTe₂薄膜的(de)厚(hou)度.(b)薄(bo)膜拉曼光(guang)譜. (c) 和(he) (d) X射(she)線光電(dian)子能(neng)譜(XPS)的(de)結果. (e) 3D打(da)印(yin)設(she)備的(de)圖像. L1 = 0.188 mm，L2 = 0.020 mm.

本(ben)文主要(yao)介(jie)紹(shao)了(le)新型非(fei)制(zhi)冷(leng)可(ke)調(tiao)控太赫茲(zi)探(tan)測(ce)器，該(gai)探測(ce)器(qi)基(ji)於面(mian)投影(ying)微立體光刻(ke)（PμSL）技術制(zhi)造的(de)蝴蝶(die)結陣列(lie)結構，並(bing)且通(tong)過(guo)激光激(ji)發(fa)增強其檢(jian)測能(neng)力。該(gai)探測(ce)器(qi)在(zai)室(shi)溫(wen)下(xia)工作，具有快速響應(ying)時(shi)間和(he)高靈敏(min)度的(de)特點(dian)，適(shi)用(yong)於6G通(tong)信(xin)和太赫茲(zi)雷(lei)達等領(ling)域。

圖2 器件(jian)在(zai)有激(ji)光和(he)無激(ji)光激(ji)發(fa)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)0.1THz下(xia)的(de)探測(ce)性能(neng)(光電流(liu)、暗電流和(he)噪(zao)聲特(te)性，以及(ji)RV、NEP和(he)D*)

從圖2中可知，R_A、NEP和D*在(zai)0.1 THz時(shi)不(bu)同電壓下(xia)的(de)探測(ce)效(xiao)果(guo)。探測器(qi)在(zai)非(fei)制(zhi)冷(leng)情(qing)況(kuang)下(xia)保持(chi)高性能(neng)的(de)主要(yao)原因之壹是局(ju)域化(hua)表(biao)面(mian)等離激(ji)元(yuan)效(xiao)應(ying)。在(zai)電(dian)壓為50 V的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，NEP為50 pW/Hz^1/2，大(da)約是高萊(lai)探(tan)測(ce)器(qi)(140pW/Hz1/2)的(de)三分(fen)之壹，僅是(shi)制(zhi)冷(leng)的(de)商用(yong)肖(xiao)特基(ji)二(er)極(ji)管(guan)(15.2pW/Hz1/2)的(de)三倍(bei)。此外(wai)圖2還(hai)展(zhan)示了由於外(wai)部(bu)激光的(de)影(ying)響，靈(ling)敏(min)度從(cong)0.30 MV/W增加到0.54 MV/W，NEP從92pW/Hz1/2降低到(dao)50pW/Hz1/2，性能(neng)提(ti)升(sheng)幅度(du)分(fen)別為(wei)80%和(he)45.6%。這(zhe)種增強效應(ying)很大(da)程度上(shang)可以歸(gui)因於施(shi)加的(de)激光(guang)引起(qi)的(de)器件(jian)表(biao)面(mian)載流(liu)子濃度提(ti)升(sheng)。這(zhe)些(xie)結果表(biao)明(ming)，光學(xue)場的(de)存在(zai)顯著(zhu)提(ti)高了太赫茲(zi)探(tan)測(ce)器的(de)檢(jian)測效率，代(dai)表(biao)了(le)提(ti)高檢(jian)測性能(neng)的(de)壹種關(guan)鍵(jian)方法。

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圖3 蝴蝶(die)結型陣列(lie)的(de)模擬結果. (a)圖表(biao)顯示的(de)是設(she)備表(biao)面(mian)的(de)電流(liu)密度(du)分(fen)布和方向. (b) 器件(jian)的(de)表(biao)面(mian)電場(chang)分(fen)布.

當(dang)太赫茲(zi)波(bo)與該(gai)設(she)備的(de)表(biao)面(mian)相互作用(yong)時(shi)，亞(ya)波(bo)長(chang)微(wei)結構由於局(ju)部(bu)表(biao)面(mian)等激子(zi)效(xiao)應(ying)，具有將(jiang)其周(zhou)圍的(de)太赫茲(zi)波(bo)限(xian)制(zhi)的(de)能(neng)力。因此，太赫茲(zi)波(bo)集中在(zai)蝴蝶(die)形陣(zhen)列周(zhou)圍，特(te)別是(shi)在(zai)蝴蝶(die)形的(de)尖部(bu)，從而產生(sheng)更強的(de)太赫茲(zi)場(chang)。這(zhe)極(ji)大(da)地(di)增強了太赫茲(zi)波(bo)與該(gai)設(she)備之間的(de)相互作用(yong)。此外(wai)，表(biao)面(mian)電流(liu)分(fen)布顯示，蝴蝶(die)形結構周(zhou)圍的(de)載流(liu)子(zi)遷移率(lv)較(jiao)大(da)，這(zhe)壹現象(xiang)主要(yao)是(shi)因為設(she)計中z方向上(shang)未設(she)置(zhi)微(wei)腔(qiang)。

本(ben)文的(de)創新點(dian)主要(yao)包括以下(xia)幾(ji)個方面(mian)：

新型結構設(she)計：利(li)用非(fei)微腔(qiang)蝴蝶(die)結結構來(lai)平(ping)衡檢(jian)測效率和響應(ying)時(shi)間。這(zhe)種結構在(zai)所(suo)有三(san)個空(kong)間軸(zhou)向上都(dou)保(bao)持(chi)亞(ya)波(bo)長(chang)陣(zhen)列，通(tong)過(guo)消除z軸(zhou)方(fang)向的(de)微腔(qiang)結構來(lai)提(ti)高載流(liu)子傳輸(shu)速(su)率進(jin)壹步(bu)提(ti)升(sheng)其響應(ying)時(shi)間。材(cai)料選擇(ze)：選用Weyl半金(jin)屬(shu)作為探測器的(de)活性層，以降(jiang)低熱(re)噪(zao)聲並(bing)減(jian)小(xiao)設(she)備尺(chi)寸(cun)。Weyl半金(jin)屬(shu)具有特(te)別的(de)表(biao)面(mian)等離子(zi)體(ti)效(xiao)應(ying)和(he)優異的(de)載流(liu)子(zi)遷移率(lv)。激光(guang)激(ji)發(fa)：通(tong)過(guo)520nm 的(de)連(lian)續波(bo)（CW）激光(guang)照射(she)探測器表(biao)面(mian)，增強表(biao)面(mian)載流(liu)子的(de)遷移率(lv)，從而(er)提(ti)高探測(ce)器的(de)檢(jian)測性能(neng)。這(zhe)種方(fang)法(fa)使(shi)得太赫茲(zi)靈(ling)敏(min)度提(ti)高了80%，噪(zao)聲等效功(gong)率(lv)（NEP）降(jiang)低了(le)45.6%。面(mian)投影(ying)微立體光刻(ke)（PμSL）技術：使用超高精度(du)的(de)3D打(da)印(yin)技術（PμSL）來(lai)制(zhi)造微(wei)結構，這(zhe)種技術具有高分(fen)辨率(lv)、高復制(zhi)性，適(shi)用(yong)於制(zhi)造復雜的(de)三維(wei)微(wei)納米(mi)結構。在(zai)外(wai)部(bu)激光場刺(ci)激下(xia)，探測(ce)器的(de)響應(ying)時(shi)間從(cong)980毫秒顯著(zhu)降低到(dao)50毫秒(miao)，顯示出(chu)快速的(de)響應(ying)能(neng)力。

應(ying)用(yong)前景(jing)：該(gai)探測(ce)器(qi)在(zai)0.1 THz頻率下(xia)的(de)檢(jian)測性能(neng)顯著(zhu)，具有10 mm×5 mm的(de)有效(xiao)檢(jian)測面(mian)積，適(shi)合實際(ji)應(ying)用(yong)。同時(shi)，其寬(kuan)帶吸(xi)收(shou)的(de)潛力預(yu)示著在(zai)未來(lai)6G通(tong)信(xin)技術中的(de)應(ying)用(yong)前景(jing)。

總體(ti)而(er)言，這(zhe)項研究為高性能(neng)太赫茲(zi)探(tan)測(ce)器的(de)設(she)計和(he)制(zhi)造提(ti)供(gong)了(le)新的(de)思路，特(te)別是(shi)在(zai)6G通(tong)信(xin)和太赫茲(zi)雷(lei)達等高頻應(ying)用(yong)領(ling)域的(de)潛在(zai)應(ying)用(yong)。最(zui)為(wei)重要的(de)是，面(mian)投影(ying)微立體光刻(ke)（PμSL）技術是壹項可(ke)靠(kao)、低成(cheng)本(ben)、可(ke)重復的(de)高效率(lv)加工方法(fa)，對(dui)6G器(qi)件(jian)的(de)研究和發(fa)展(zhan)起到(dao)了積極(ji)的(de)推(tui)動(dong)作(zuo)用(yong)。