片上太赫兹时域光谱系统
发布时间:2024年5月31日 分类:科普资讯 浏览量:254
作者:宾泽川

背景介绍
自由空间太赫兹时域光谱技术已广泛应用于各种块状材料和薄膜的研究,但是受到瑞利衍射极限的限制,太赫兹光束难以聚焦到微米尺寸样品上,从而导致系统的信噪比大幅降低。尽管太赫兹近场技术可以突破衍射极限,实现纳米级分辨率,但由于自由空间水汽吸收与光路干扰,其太赫兹信号的振幅和带宽依旧会受到影响[1]。为了解决这些问题,片上时域光谱技术应运而生。该技术将太赫兹脉冲限制在刻有传输线的芯片上,从而绕开衍射极限与水汽吸收的问题。由于系统的高度集成,片上系统相比自由空间系统,可以更方便地与低温、强磁等极端条件结合使用。
目前,片上太赫兹时域光谱已成功应用于低温下碳纳米管[2]、拓扑绝缘体[3]以及二维电子系统(如GaAs和石墨烯)[4] 电子相位的研究。此外,片上系统还被用于研究二维范德华材料及其异质结构,探讨其特殊层间耦合引发的关键超快过程,如层间热载流子动力学、层间激子和移位电流。这些研究展现了片上太赫兹时域光谱在探测和理解复杂电子现象方面的巨大潜力。
片上时域光谱系统的工作原理


图1 (a)片上时域光谱系统光路示意图 (b)片上传输示意图
如图1(a)所示,使用3mW的780nm、75fs、250MHz的飞秒激光分别照射发射端和检测端的光电导开关。发射端的激励光束以约3.2kHz的频率调制,通过光学延迟线,并使用扫描振镜(GE)引导至发射开关上。同时,在发射开关上施加10V直流偏压,以提供转换成THz瞬态的能量。产生的太赫兹脉冲将沿共面带状线传输到接收端,接收端的激励光束则通过另一个扫描振镜(GA)引导并聚焦到开关上,从而采集接收端的太赫兹脉冲,并转换为对应光电流。
在实际应用中,片上时域光谱系统的信号带宽与动态范围受限于光电导材料的载流子寿命、载流子迁移率、暗电流、击穿电场等材料自身的特性,以及传输线的损耗。目前,GaAs、LT-GaAs、InGaAs、Er:GaAs[5]等半导体材料凭借其较短的载流子寿命和较高的载流子迁移率,已在片上系统中得到广泛应用。同时,为了克服传输损耗,会根据实际的研究对象设计不同的传输结构,例如高保线[6]、共面带状线[1]、共面波导[7]等,以尽可能地将太赫兹脉冲束缚在波导之间,实现更低损耗的太赫兹传输。
超快光电应用
随着数据流量的指数级增长,迫切需要能够将光信号转换为电信号的超高带宽和低功耗光接收器。光热电效应(PTE)石墨烯光电探测器(PDs)由于其零暗电流操作、宽带吸收和通过热载流子倍增(HCM)实现的高转换效率,被认为是光电转换的有力平台。但是受限于示波器、频谱分析仪等带电子读取设备的带宽的限制,实验的测试带宽限制在70GHz以下。因此,载流子提取机制仍未被探索。2022年Katsumasa Yoshioka等人[8]利用片上超快读取装置(On-chip TDS),成功解析了石墨烯中的光电转换过程,并发现石墨烯中光电流的产生是准瞬时的。此时的光电流主要由于石墨烯能级依赖的带内散射决定,与载流子传输时间无关,符合Shockley-Ramo定理,即在石墨烯等导电材料中,当环境载流子进入接触时会立即产生光电流。片上时域光谱系统相较于传统的光电读取方法,所测得的光电流直接跟踪载流子温度的发展和演变,使得研究人员可以解析出石墨烯中共存的多种热化和冷却路径。该光电转换过程的定量分析,加快了超快石墨烯光电子器件工程的研究,为未来的光电子器件开发奠定了基础。

图2:片上超快电读取装置示意图及测量的器件的时域、频域信号。

图3 准瞬时光电流响应
低维材料的流体动力学集体激发
热激发的电子和空穴在超净石墨烯中形成量子临界的狄拉克流体,其电动力学响应由一种通用的流体动力学理论描述。在这种物理体系中,相对论电子和空穴形成了一个强相互作用的等离子体。目前,石墨烯中流体动力学狄拉克流体的电输运特征已经在实验上观察到了,包括流体动力学电子流[8]、维德曼-弗兰兹定律的失效[9]以及量子临界电导率[10]。然而,流体动力学狄拉克流体的集体激发,例如流体动力学双极等离子体和能量波,依然处于预测阶段。尽管这些流体动力学集体激发在理论已经十分成熟,但在固态系统中的实验观测仍具挑战性。2023年,Wenyu Zhao等人[11]使用片上时域光谱技术,测量了石墨烯微带的THz吸收光谱以及接近电荷中性时石墨烯中的能量波传播,成功观察到了显著的高频流体动力学双极等离子体共振以及较弱的低频能量波共振。结果表明,石墨烯中的流体动力学双极等离子体是无质量电子和空穴的反相振荡,而流体动力学能量波是一种电子-空穴声模,两个电荷载流子同相振荡并一起移动。通过改变石墨烯局部热激发的位置,研究人员还成功测量到能量波在接近电荷中性时,以特征速度传播。这些研究为探索低维材料中的集体流体动力学激发提供了新的机遇。

图4 60K下石墨烯微带中的太赫兹等离子体(双极等离子体共振)

图5 300K下Demon模式在石墨烯的传播(低频能量波共振)
低温片上时域光谱系统
典型的THz脉冲能量尺度为几meV,时间尺度为皮秒,非常适合研究强关联现象、超导性和非平衡动力学。然而,由于自由空间太赫兹系统的体积限制,许多这些现象尚未在低温下得到充分探究。片上时域光谱系统凭借其高度集成的特点,可以很好地与低温系统相结合。2023年,Alex M. Potts等人[12]提出了一种兼容低温的可互换样品架片上时域光谱系统,该系统分离了测试结构与样品,极大地提高了测试的吞吐量。使用该系统,研究人员测量了宽度仅为7.5微米的氮化铌(NbN)薄膜的光导率,展示了该光谱仪在比瑞利衍射极限小2%的样本中检测超导间隙的光谱特征。实验结果符合无序超导体模型模拟的超导状态下的电磁响应,验证了低温片上时域光谱系统的可行性。

图6 低温片上时域光谱系统装置与光路示意图

图7 超导NbN薄膜的片上太赫兹光谱
总结
片上时域光谱系统利用传输线对太赫兹脉冲的束缚,突破了瑞利衍射极限,适用于各种小面积低维材料。该技术可以将脉冲持续时间缩短到皮秒量级,对于研究和操控量子材料而言至关重要,这将进一步加速范德瓦尔斯异质结构中的极化激元研究和量子纳米电路中的电子量子光学研究的进展。此外,片上系统的高度集成使其更容易与低温和强磁系统结合,从而推进毫开尔文温度和强磁场下的超快载流子动力学研究。
引用文献
[1] Potts A M, Nayak A K, Nagel M, et al. On-chip time-domain terahertz spectroscopy of superconducting films below the diffraction limit[J]. Nano Letters, 2023, 23(9): 3835-3841.
[2] Zhong Z, Gabor N M, Sharping J E, et al. Terahertz time-domain measurement of ballistic electron resonance in a single-walled carbon nanotube[J]. Nature nanotechnology, 2008, 3(4): 201-205.
[3] Kastl C, Karnetzky C, Karl H, et al. Ultrafast helicity control of surface currents in topological insulators with near-unity fidelity[J]. Nature communications, 2015, 6(1): 6617.
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[11] Zhao W, Wang S, Chen S, et al. Observation of hydrodynamic plasmons and energy waves in graphene[J]. Nature, 2023, 614(7949): 688-693.
[12] Potts A M, Nayak A K, Nagel M, et al. On-chip time-domain terahertz spectroscopy of superconducting films below the diffraction limit[J]. Nano Letters, 2023, 23(9): 3835-3841.