太赫兹

太赫兹物理、器件及其应用曹俊诚信息功能材料国家重点实验室中科院上海微系统所2010.9.18@南开大学太赫兹（THz）波介于毫米波与红外光之间，频率在0.1-10THz（波长为3毫米-30微米）范围，又称T-射线电磁波谱图辐射能量越强频率（Hz）THz波重要性与X光相比，THz波能量低，不会破坏生物组织，具有很高安全性，适合安检和医学成像与红外光比，THz特征光谱对很多大分子来说更易分辨，可很好地用于鉴别毒品和爆炸物等与微波相比，THz成像分辨率更高；THz通信更保密、安全海洛因THz吸收谱2.4THz机场安检X光检测THz成像研究状况美国：–国防部、空军、能源部(THz连续、大功率源)–航天局(THz遥感)–国家卫生学会(THz医学成像)DARPA欧盟：–StarTigerTHz空间计划、遥感、成像–THz-bridge生物医学诊断–TeravisionTHz成像器件、THz相机日本：–列为十年战略规划首位。发展THz病理诊断、毒品和爆炸物检测技术等中国国家重大需求国家重点管制类毒品THz谱要害部门、场所安全监控全国吸毒人员114万北京2.6万0.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.03.54.0ketamineAbsorbance(a.u.)Frequency(THz)摇头丸THz辐射有望成为一种新的公共安全监控技术THz振荡源:自由电子激光器，气体激光器Gunn振荡器，Bloch振荡器电光晶体半导体THz振荡器THz量子级联激光器（THzQCL）THz探测器:热辐射探测器热电探测器电光晶体THzQWP两个重大基础问题：UCSB的自由电子激光器THz振荡器和探测器各类THz源技术特点自由电子激光器，同步辐射光源输出频率覆盖范围宽输出功率高光束质量好功耗高、体积庞大CO2泵浦小分子气体THz激光器输出频率准连续（更换工作介质可覆盖0.3-7.0THz）输出功率50毫瓦光束质量高重量约70公斤结构复杂；功耗约3千瓦返波管（BWO）输出频率范围1.11THz输出功率1-10毫瓦体积约0.5×0.4×0.5立方米功耗600瓦；重量45公斤飞秒激光泵浦、差频THz发生器输出频率范围3.0THz输出功率低毫瓦量级功耗高、结构复杂、难于集成Gunn振荡器输出频率范围1.0THz高频段输出功率低（微瓦）P-Ge振荡器；半导体负有效质量振荡器；基于带内反射的THz振荡器；超晶格Bloch振荡器新器件概念、原型器件阶段，无成熟器件、发展有很大不确定性维吉尼亚公司产品技术参数•100-300GHz输出功率1-30mW•300-600GHz输出功率0.1-8mW•600-900GHz输出功率10-500微瓦•1.0-1.7THz输出功率1-60微瓦各类THz探测器技术特点半导体肖特基二极管体积小、重量轻响应频段2.5THz外差探测，需THz本地振荡源超导体－绝缘体－超导体隧穿结探测器体积小、重量轻探测灵敏度高，逼近量子极限响应频段1.5THz制冷温度约4K需THz本地振荡源Bolometer；Pyroelectricdetector探测率低响应速度慢，通信速度提不上去无光谱分辨本领利用低维结构中THz引起的等离子体振荡新器件概念，原理型器件阶段THz量子阱探测器按需设计响应频段响应速度快灵敏度较高体积小、稳定、寿命长制冷需求高（20-50K）一、THz探测器与物理二、THz激光器与物理三、THz通信初步THz量子阱探测器(THzQWP)THz量子阱探测器（THzQWP）按需设计响应频段响应速度快灵敏度较高体积小、稳定、寿命长需制冷THz量子阱探测器特点THzQWP主要工作基于THz感生的碰撞离化模型，解释了THz场在低维半导体的吸收规律；合作研制了2-7THzQWP-Phys.Rev.Lett.91,237401(2003)-Phys.Rev.B69,165203(2004).-Appl.Phys.Lett.84,4068(2004)计算了GaAs光学声子吸收对THzQWP的光谱响应的影响;研制了提高THzQWP吸收系数的新结构(改变阱宽和掺杂)，吸收系数超过20%，以实现高速探测-InfraredPhysicsandTechnology47,169(2005)-IEEEJSelTopQuantElect14,374(2008)研究了多体效应对THzQWP响应峰位影响-Appl.Phys.Lett.94,201101(2009)发展了THz感生的碰撞离化模型J.C.Cao,Phys.Rev.Lett.91,237401(2003).J.C.Cao,Phys.Rev.B69,165203(2004).利用THz感生的电子－空穴对的产生机制解释了THz吸收过程。表明：（1）电子无序散射是低场强和中等场强下的主要决定因素。（2）高场强下的吸收则主要由带间碰撞离化决定。应用于THz探测器设计Appl.Phys.Lett.84,4068(2004).InfraredPhysicsandTechnology47,169(2005).IEEEJSelTopQuantElect14,374(2008)(Invitedpaper)THzQWP研制实现了一种能工作在光子能量小于34meV的THzQWP，其峰值探测频率为2-7THz。探测灵敏度达10-12量级THz量子阱探测器优化计算了GaAs光学声子吸收对THzQWP的光谱响应的影响。研究表明，GaAs光学声子对34－36meV区域有很强的吸收。理论计算与实验很好符合。SuperlatticesandMicrostructures40,119(2006).InfraredPhysics&Technology50,191(2007).THzQWP的透射与吸收谱多体效应对THzQWP响应峰位影响Appl.Phys.Lett.94,201101(2009)在Hartree近似下，响应峰位设计误差约为30%！多体效应：交换关联（静态）；去极化、类激子（动态）在不考虑交换关联作用时，设计的器件结构能够保证第一激发态与垒高一致，最佳设计！考虑交换关联作用，第一激发态处于量子阱中，非最优设计！设计误差大幅减小30%约5%APL(May2009)发表一个月内下载最多20篇文章之一Appl.Phys.Lett.94,201101(2009)THz/FIR在石墨烯的吸收THz双层石墨烯纳米带探测器A.R.Wright,J.C.Cao,C.Zhang,Phys.Rev.Lett.103,207401(2009)•构造了石墨烯的一个子类—双层纳米带，计算表明，其手性和带间耦合使THz/FIR光学响应显著增强，可达普适电导e2/4ħ的80~140倍•可望实现常温的高灵敏度的THz探测器•克服了石墨烯在电子学和光子学应用的一个障碍Referee’Comments:Thismanuscriptpredictsthatcertaintypesofnano-ribbonsofbilayergraphenehaveveryhighopticalconductivity.Thisworkwillverylikelymotivateexperiments…202009年11月20日Highlights中科院上海微系统所一、THz探测器与物理二、THz激光器与物理三、THz通信初步量子级联新结构的应用使得激射波长从红外波段提升了10倍，推进到THz波段(2002)Kohleretal,NATURE417,156(2002)原理：电子从高能级跃迁到低能级释放出THz辐射THz量子级联激光器THzQCL主要工作发展了THzQCLMC模拟程序，设计了基于共振声子散射的THzQCL。研究了子带激光器动力学-Phys.Rev.Lett.90,077402(2003)-Appl.Phys.Lett.88,061119(2006)-J.Appl.Phys.104,043101(2008)完成了THzQCL材料生长、器件制作-Appl.Phys.Lett.90,041112(2007)-Appl.Phys.Lett.92221105(2008)-J.Appl.Phys.103,103113(2008)优化了THzQCL器件设计-Semicond.Sci.Technol.23,125040(2008)-Semicond.Sci.Technol.24,065012(2009)-J.Phys.D:Appl.Phys.42,025101(2009)RoadmapofTHzQCLThefirstTHzQCL-Köhleret.al,Nature2002(Pisa,Italy)•Chirped-superlattice•Semi-insulatingsurfaceplasmonwaveguide•Lasingat4.4THz•Maximumoperatingtemperatureof50KJ.Faist,APL2002Q.Hu,APL2003H.C.Liu,NRC,APL87,141102(2005)J.C.Cao’sGroup,SIMIT,Shanghai,2007Uptodate,thebestdeviceperformancesare:•maximumoperatingtemperature186K(pulsed);117K(cw)•highestoutputpower250mW•lowestlasingfrequency1.2THzYearYearFrequency(THz)Operatingtemperature(K)PulsedcwWithoutM.M.assistanceProgressofTHzQCLTHzQCLMC模拟MonteCarloMethod•Usedtosolvemathematicalproblemsbyrandom-numbertechnology•Usingrandomnumbersinanessentialwaytosimulatescatteringprocesses•Thedifferential-integralequationsusuallyincludehigh-ordernumericalintegrationsThesemi-classicalBEfortransportofBlochelectrons:Wherecanbereplacedbycollisionintegral:,|)(1),,(collkrktffFfkEttkrfcolltf|}.)),',(1)(,,()),,(1)(,,({8|'''3kkkkcolltkrftkrftkrftkrfdkVtfMCsolutionofBoltzmannequationI-V和器件调谐特性模拟与实验Appl.Phys.Lett.,89,211115(2006)J.Appl.Phys.103,103113(2008)J.Appl.Phys.104,043101(2008)Appl.Phys.Lett.92,221105(2008)对于四阱共振声子THzQCL，考虑电子-电子、电子-杂质、电子-LO声子散射以及热声子效应之后，模拟的I-V曲线和实验测量结果十分吻合。设计偏压11kV/cm（对应12V），峰值增益66cm-1，辐射频率4.1THz计算的激射范围：10.2-13V测量的激射范围：10.9-13.3VTHzQCL参数优化Appl.Phys.Lett.92,221105(2008).Semicond.Sci.Technol.23,125040(2008)Semicond.Sci.Technol.24,065012(2009)DUT:Three-wellresonant-phononTHzQCLWehavesimulatedtheeffects