基于新型半导体的太赫兹波调制技术及其传感应用

论文摘要

太赫兹波科学与技术是近20年发展起来的新型学科,由于它具有瞬态性、相干性、低能性、强穿透性等许多独特的性质,在军事通信、生物医疗、安全检测等领域具有非常广泛的应用,是目前国内外研究的热点。近年来,得益于太赫兹技术水平的不断提升,太赫兹源和太赫兹探测器的相关理论和技术已比较成熟。而太赫兹功能器件作为太赫兹应用系统的核心,其性能受限于传统材料在太赫兹波段较弱的响应。高性能太赫兹功能器件的缺乏,阻碍了太赫兹技术的实际应用。因此,太赫兹功能器件是继太赫兹源和太赫兹探测器之后最亟待解决的关键技术之一。其中,太赫兹调制器是太赫兹通信、成像等多种应用系统的核心器件,因而受到广大科研人员的密切关注。目前的太赫兹调制器件面临着诸如调制深度较小、调制带宽较窄、调制速率较慢且不易于实际操作等问题。基于电光控制的新型半导体石墨烯和硅基的混合结构对太赫兹波的响应显著,解决了传统材料对太赫兹波响应较弱的问题。利用其与太赫兹波强烈的相互作用,能够有效提升太赫兹调制器件的性能,进而促进太赫兹相关领域的发展。此外,借助新型半导体对太赫兹波高效的调制效果,可将其应用到太赫兹特异性传感中的频谱调谐中来。在太赫兹特异性传感系统中,通过调控太赫兹光谱,使频谱谐振峰的频率落在被测物的特征吸收峰频段,由于特定物质的吸收会导致频谱相应的变化,从而实现物质的特异性识别。太赫兹特异性传感技术作为一种新兴的传感方式,具有简便的操作流程、较快的响应速度、较高的传感灵敏度,在物质识别领域有极大的应用潜力。然而,目前针对基于新型半导体的太赫兹特异性传感技术的研究还处于起始阶段,仅涉及少量的研究内容,其相关理论技术还有待研究人员对其做大量的探索。基于以上背景,本文对基于新型半导体的太赫兹调制技术及其在物质特异性传感上的应用作了详细的研究。利用太赫兹波与物质相互作用、场效应管、半导体击穿等理论,在自建太赫兹时域光谱系统上进行了相关分析。开展的主要工作如下:(1)对单层石墨烯太赫兹调制器件调制性能过低的情况作了改进,提出利用石墨烯和太赫兹多次相互作用来提升调制性能的方法。首先,建立了脉冲太赫兹波以及连续单频太赫兹波与石墨烯多次相互作用的理论模型。在理论模型基础上结合相关实验研究了调制器件参数和调制深度的关系,得到的实验测得结果与理论模型良好吻合。借助于太赫兹波和单层石墨烯多次相互作用,我们所设计的调制器的调制深度、调制带宽均优于以往相同构型的器件,其中调制带宽大于1 THz、最大脉冲调制深度为90.93%。此外,我们还理论预测了太赫兹调制器件的单频调制性能,所设计的调制器的最大单频调制深度达到75%。(2)提出一种基于软击穿的氧化物/半导体的高性能太赫兹调制器。首先,建立了软击穿状态下硅中载流子注入的理论模型,并且通过实验对该模型作了详细的验证。接下来在实验上系统研究了太赫兹波调制深度对偏置电流的依赖特性。同时,还测量了软击穿状态下光泵浦对该器件调制性能的影响。借助于软击穿状态下超强的载流子注入,我们所设计调制器的调制深度、调制带宽均得到明显提升。特别是该调制器件的最大强度调制深度超过以往所有研究结果,达到99.9999%。(3)设计了一种基于石墨烯超结构的太赫兹特异性传感器。利用双洛伦兹稱合振动模型分析了传感器与太赫兹波相互作用所引起的等离子体诱导透明(PIT)现象的产生机理。同时,分析了PIT效应对应折射率传感的性能,针对这些性能作了结构优化。最后选取苯甲酸作为传感物质,首次分析了PIT现象应用于特异性传感的效果。借助于PIT现象对太赫兹波超强的束缚能力,相比于传统金属超材料传感器,我们所设计的传感器的灵敏度提升了约一个量级,达到6.75 X 103 nm/RIU。此外,该传感器对苯甲酸的特异性超灵敏传感的极限小于6.35 μg/cm2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 太赫兹相关技术简介
•   1.3 太赫兹调控技术简介
•   1.4 石墨烯在太赫兹波调制器件中应用的研究现状
•   1.5 基于石墨烯的太赫兹传感技术简介
•     1.5.1 基于石墨烯等离子体共振的THz传感器研究现状
•     1.5.2 基于石墨烯的等离子体诱导透明现象在传感应用的研究现状
•   1.6 论文内容及章节安排
• 第二章 太赫兹系统及半导体应用机理
•   2.1 引言
•   2.2 太赫兹时域光谱系统
•   2.3 石墨烯相关性质及其与太赫兹波相互作用的模型
•     2.3.1 石墨烯的结构及性质
•     2.3.2 石墨烯掺杂
•     2.3.3 石墨烯转移
•     2.3.4 石墨烯界面THz波传输模型
•   2.4 硅基半导体
•   2.5 小结
• 第三章 基于石墨烯的太赫兹调制器
•   3.1 引言
•   3.2 石墨烯场效应管的制备
• 2O₃-石墨烯-SiO₂-Si构型太赫兹波调制器'>  3.3 Al₂O₃-石墨烯-SiO₂-Si构型太赫兹波调制器
•   3.4 基于石墨烯场效应管的双模太赫兹调制器
•     3.4.1 调制器件所涉及的基本原理
•     3.4.2 脉冲调制模式性能分析
•     3.4.3 单频连续光调制模式性能分析
•   3.5 小结
• 第四章 基于硅基半导体的太赫兹波调制器
•   4.1 引言
•   4.2 原理和结构
•     4.2.1 硬击穿和软击穿原理
•     4.2.2 硅基半导体太赫兹调制器结构和原理
•   4.3 原理验证
•   4.4 电压软击穿透射式测试
• 2-Si太赫兹调制器件性能的影响'>  4.5 光泵浦对软击穿状态下SiO₂-Si太赫兹调制器件性能的影响
•   4.6 小结
• 第五章 基于石墨烯超材料的太赫兹传感器
•   5.1 引言
•   5.2 PIT谐振机理
•     5.2.1 明-暗模PIT谐振机理
•     5.2.2 明-明模PIT谐振机理
•     5.2.3 双耦合振动模型
•   5.3 PIT谐振传感应用分析
•     5.3.1 折射率识别原理
•     5.3.2 特异性识别原理
•     5.3.3 传感器性能参数
•   5.4 太赫兹波石墨烯超材料传感器设计
•     5.4.1 结构设计
•     5.4.2 仿真模型
•     5.4.3 结构优化
•     5.4.4 传感器物理机制分析
•   5.5 传感器性能分析
•     5.5.1 分析物厚度传感性能分析
•     5.5.2 折射率传感性能分析
•     5.5.3 分析物厚度和折射率传感性能
•   5.6 太赫兹波调制性能及其在特异性传感的应用
•     5.6.1 石墨烯超材料传感器的调谐机制
•     5.6.2 石墨烯超材料传感器在特异性传感上的应用
•   5.7 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 唐培人

导师: 李泽仁

关键词: 太赫兹,调制,传感,石墨烯,硅基半导体

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O441.4

总页数: 111

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