Advanced Science:上海技物所陈效双、陆卫团队与苏州纳米所团队在纳尺度黑磷表面超强电磁聚焦与高灵敏热电子太赫兹探测成像研究取得重要突破

太赫兹波在光谱学,通信和成像等领域都有广泛的应用前景,但是,由于太赫兹光子能量低,容易受到热噪声的干扰,给太赫兹探测带来了巨大的挑战。以石墨烯,过渡金属硫族化合物,黑磷,拓扑绝缘体为代表的新型二维材料体系的出现为太赫兹探测提供了新的平台。只不过,这些材料的厚度都在纳米量级,而太赫兹的波长在亚毫米量级,太赫兹场与二维材料的光电耦合效率低是太赫兹探测的必须解决的困难。近年来,研究发现二维材料具有显著的热电子光热电效应(PTE),该原理通过吸收太赫兹产生非平衡热载流子形成温度梯度分布,并通过场效应调控的方式可实现非平衡载流子的快速抽取与信号调制,可避免传统单粒子激发的量子极限问题并具有宽带宽与可集成的优势,从而有望实现太赫兹室温有效探测。而当前利用热电子效应进行太赫兹探测的主要挑战则是入射光斑的面积较大与探测器的光敏区较小之间存在很大的不匹配,材料吸收能力较弱,以及热电子局域限制量子效率。

为了解决上述问题,上海技术物理研究所王林副研究员和苏州纳米所张凯研究员通过仿真模型发现,超短沟道结构能够有效的实现太赫兹的电场聚焦和增强,在沟道尺寸远小于太赫兹波长甚至超过金属天线的趋肤深度时,太赫兹电场增强达到2~3个数量级,从而大大提高电子与光子作用的概率。针对光电流提取问题,研究者们采用非常规工艺,利用倾角二次套刻技术可控制不同黑磷沟道长度结构,获得了超短沟道20~100 nm非对称蝶形天线耦合的太赫兹探测器。该探测器同时利用了黑磷材料具有载流子迁移率高,带隙随厚度可调和导电性导热性面内各向异性等优点,从而促使了热电子的快速转移与光子吸收。器件的电学表征和光电测试表明,该探测器具有良好的光灵敏度,室温噪声等效功率小于60 pW/Hz0.5,响应时间低于1 μs (setup-limited),高动态范围(线性功率依赖超过2个数量级)和宽带工作(测量范围0.02~0.3 THz, antenna-limited)。并针对后续器件优化提出分析模型和数值模拟方法,该工作有效促进了人们针对热电子效应诱导产生太赫兹光电响应的理解,同时具备低成本,可扩展能力强,可用于成像系统等优势。相关结果发表在Advanced Science(DOI:10.1002/advs.201902699)上,其中博士生郭万龙为该论文的第一作者,王林、陈效双、张凯研究员为论文的通讯作者,该研究工作同时得到国家重点研发计划,国家自然科学基金,国防创新基金等项目的支持。