聊城大學(xué)等：基于PμSL面向6G的非制冷蝴蝶結(jié)陣列光增強(qiáng)太赫茲探測器

更新時間：2024-04-15

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面向6G技術(shù)的高靈敏度太赫茲探測技術(shù)在國防安全、遙感遙測、空間通信、大氣監(jiān)測、生化傳感、光譜分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和市場需求。開展高性能多元化的太赫茲探測技術(shù)研究不僅具有重要的科學(xué)意義，同時對于國家重要信息基礎(chǔ)設(shè)施和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)社會效益。因此，如何在常溫下單位面積內(nèi)實現(xiàn)對低功率密度空間結(jié)構(gòu)太赫茲信號的高靈敏響應(yīng)及時頻探測，一直是本領(lǐng)域內(nèi)的前沿研究熱點之一。然而，太赫茲器件生產(chǎn)中存在的如高精度、低成本、可控、批量生產(chǎn)等問題迫切需要解決。

近期，聊城大學(xué)的張丙元教授、宋琦副教授團(tuán)隊聯(lián)合廈門理工學(xué)院林洪沂副教授設(shè)計了一種3D蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)陣列覆蓋外爾半金屬薄膜的太赫茲波探測器，并實現(xiàn)了外加光場增強(qiáng)其性能。該團(tuán)隊利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)，借助nanoArch® S130（精度：2 μm )3D打印設(shè)備實現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)陣列的低成本高精度制備，并在器件上制備高質(zhì)量外爾半金屬薄膜，獲得具有高靈敏度、低等效噪聲功率和有效探測面積大的太赫茲波探測器。該制備方法成功解決了非制冷高靈敏度大面積的太赫茲探測器靈敏度可由外場增強(qiáng)的問題，進(jìn)一步驗證了面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)用于制備6G波段的非制冷高性能太赫茲探測器的可行性。

相關(guān)成果以“3D Bowtie Microarray Terahertz Detector Enhanced by Laser Excitation"為題發(fā)表在《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊上。

圖1 設(shè)備設(shè)計與表征.(a)WTe₂薄膜的厚度.(b)薄膜拉曼光譜. (c) 和 (d) X射線光電子能譜(XPS)的結(jié)果. (e) 3D打印設(shè)備的圖像. L1 = 0.188 mm，L2 = 0.020 mm.

本文主要介紹了新型非制冷可調(diào)控太赫茲探測器，該探測器基于面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)制造的蝴蝶結(jié)陣列結(jié)構(gòu)，并且通過激光激發(fā)增強(qiáng)其檢測能力。該探測器在室溫下工作，具有快速響應(yīng)時間和高靈敏度的特點，適用于6G通信和太赫茲雷達(dá)等領(lǐng)域。

圖2 器件在有激光和無激光激發(fā)的情況下0.1THz下的探測性能(光電流、暗電流和噪聲特性，以及RV、NEP和D*)

從圖2中可知，R_A、NEP和D*在0.1 THz時不同電壓下的探測效果。探測器在非制冷情況下保持高性能的主要原因之一是局域化表面等離激元效應(yīng)。在電壓為50 V的情況下，NEP為50 pW/Hz^1/2，大約是高萊探測器(140pW/Hz1/2)的三分之一，僅是制冷的商用肖特基二極管(15.2pW/Hz1/2)的三倍。此外圖2還展示了由于外部激光的影響，靈敏度從0.30 MV/W增加到0.54 MV/W，NEP從92pW/Hz1/2降低到50pW/Hz1/2，性能提升幅度分別為80%和45.6%。這種增強(qiáng)效應(yīng)很大程度上可以歸因于施加的激光引起的器件表面載流子濃度提升。這些結(jié)果表明，光學(xué)場的存在顯著提高了太赫茲探測器的檢測效率，代表了提高檢測性能的一種關(guān)鍵方法。

圖3 蝴蝶結(jié)型陣列的模擬結(jié)果. (a)圖表顯示的是設(shè)備表面的電流密度分布和方向. (b) 器件的表面電場分布.

當(dāng)太赫茲波與該設(shè)備的表面相互作用時，亞波長微結(jié)構(gòu)由于局部表面等激子效應(yīng)，具有將其周圍的太赫茲波限制的能力。因此，太赫茲波集中在蝴蝶形陣列周圍，特別是在蝴蝶形的尖部，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的太赫茲場。這極大地增強(qiáng)了太赫茲波與該設(shè)備之間的相互作用。此外，表面電流分布顯示，蝴蝶形結(jié)構(gòu)周圍的載流子遷移率較大，這一現(xiàn)象主要是因為設(shè)計中z方向上未設(shè)置微腔。

本文的創(chuàng)新點主要包括以下幾個方面：

新型結(jié)構(gòu)設(shè)計：利用非微腔蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)來平衡檢測效率和響應(yīng)時間。這種結(jié)構(gòu)在所有三個空間軸向上都保持亞波長陣列，通過消除z軸方向的微腔結(jié)構(gòu)來提高載流子傳輸速率進(jìn)一步提升其響應(yīng)時間。材料選擇：選用Weyl半金屬作為探測器的活性層，以降低熱噪聲并減小設(shè)備尺寸。Weyl半金屬具有特別的表面等離子體效應(yīng)和優(yōu)異的載流子遷移率。激光激發(fā)：通過520nm 的連續(xù)波（CW）激光照射探測器表面，增強(qiáng)表面載流子的遷移率，從而提高探測器的檢測性能。這種方法使得太赫茲靈敏度提高了80%，噪聲等效功率（NEP）降低了45.6%。面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)：使用超高精度的3D打印技術(shù)（PμSL）來制造微結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)具有高分辨率、高復(fù)制性，適用于制造復(fù)雜的三維微納米結(jié)構(gòu)。在外部激光場刺激下，探測器的響應(yīng)時間從980毫秒顯著降低到50毫秒，顯示出快速的響應(yīng)能力。

應(yīng)用前景：該探測器在0.1 THz頻率下的檢測性能顯著，具有10 mm×5 mm的有效檢測面積，適合實際應(yīng)用。同時，其寬帶吸收的潛力預(yù)示著在未來6G通信技術(shù)中的應(yīng)用前景。

總體而言，這項研究為高性能太赫茲探測器的設(shè)計和制造提供了新的思路，特別是在6G通信和太赫茲雷達(dá)等高頻應(yīng)用領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。最為重要的是，面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)是一項可靠、低成本、可重復(fù)的高效率加工方法，對6G器件的研究和發(fā)展起到了積極的推動作用。