太赫茲波科學(xué)與技術(shù)是近20年發(fā)展起來的新型學(xué)科,由于它具有瞬態(tài)性、相干性、低能性、強穿透性等許多獨特的性質(zhì),在軍事通信、生物醫(yī)療、安全檢測等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用,是目前國內(nèi)外研究的熱點。近年來,得益于太赫茲技術(shù)水平的不斷提升,太赫茲源和太赫茲探測器的相關(guān)理論和技術(shù)已比較成熟。而太赫茲功能器件作為太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的核心,其性能受限于傳統(tǒng)材料在太赫茲波段較弱的響應(yīng)。高性能太赫茲功能器件的缺乏,阻礙了太赫茲技術(shù)的實際應(yīng)用。因此,太赫茲功能器件是繼太赫茲源和太赫茲探測器之后最亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。其中,太赫茲調(diào)制器是太赫茲通信、成像等多種應(yīng)用系統(tǒng)的核心器件,因而受到廣大科研人員的密切關(guān)注。目前的太赫茲調(diào)制器件面臨著諸如調(diào)制深度較小、調(diào)制帶寬較窄、調(diào)制速率較慢且不易于實際操作等問題�；陔姽饪刂频男滦桶雽�(dǎo)體石墨烯和硅基的混合結(jié)構(gòu)對太赫茲波的響應(yīng)顯著,解決了傳統(tǒng)材料對太赫茲波響應(yīng)較弱的問題。利用其與太赫茲波強烈的相互作用,能夠有效提升太赫茲調(diào)制器件的性能,進而促進太赫茲相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。此外,借助新型半導(dǎo)體對太赫茲波高效的調(diào)制效果,可將其應(yīng)用到太赫茲特異性傳感中的頻譜調(diào)諧中來。在太赫茲特異性傳感系統(tǒng)中,通過調(diào)控太赫茲光譜,使頻譜諧振峰的頻率落在被測物的特征吸收峰頻段,由于特定物質(zhì)的吸收會導(dǎo)致頻譜相應(yīng)的變化,從而實現(xiàn)物質(zhì)的特異性識別。太赫茲特異性傳感技術(shù)作為一種新興的傳感方式,具有簡便的操作流程、較快的響應(yīng)速度、較高的傳感靈敏度,在物質(zhì)識別領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力。然而,目前針對基于新型半導(dǎo)體的太赫茲特異性傳感技術(shù)的研究還處于起始階段,僅涉及少量的研究內(nèi)容,其相關(guān)理論技術(shù)還有待研究人員對其做大量的探索�；谝陨媳尘�,本文對基于新型半導(dǎo)體的太赫茲調(diào)制技術(shù)及其在物質(zhì)特異性傳感上的應(yīng)用作了詳細的研究。利用太赫茲波與物質(zhì)相互作用、場效應(yīng)管、半導(dǎo)體擊穿等理論,在自建太赫茲時域光譜系統(tǒng)上進行了相關(guān)分析。開展的主要工作如下:(1)對單層石墨烯太赫茲調(diào)制器件調(diào)制性能過低的情況作了改進,提出利用石墨烯和太赫茲多次相互作用來提升調(diào)制性能的方法。首先,建立了脈沖太赫茲波以及連續(xù)單頻太赫茲波與石墨烯多次相互作用的理論模型。在理論模型基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)實驗研究了調(diào)制器件參數(shù)和調(diào)制深度的關(guān)系,得到的實驗測得結(jié)果與理論模型良好吻合。借助于太赫茲波和單層石墨烯多次相互作用,我們所設(shè)計的調(diào)制器的調(diào)制深度、調(diào)制帶寬均優(yōu)于以往相同構(gòu)型的器件,其中調(diào)制帶寬大于1 THz、最大脈沖調(diào)制深度為90.93%。此外,我們還理論預(yù)測了太赫茲調(diào)制器件的單頻調(diào)制性能,所設(shè)計的調(diào)制器的最大單頻調(diào)制深度達到75%。(2)提出一種基于軟擊穿的氧化物/半導(dǎo)體的高性能太赫茲調(diào)制器。首先,建立了軟擊穿狀態(tài)下硅中載流子注入的理論模型,并且通過實驗對該模型作了詳細的驗證。接下來在實驗上系統(tǒng)研究了太赫茲波調(diào)制深度對偏置電流的依賴特性。同時,還測量了軟擊穿狀態(tài)下光泵浦對該器件調(diào)制性能的影響。借助于軟擊穿狀態(tài)下超強的載流子注入,我們所設(shè)計調(diào)制器的調(diào)制深度、調(diào)制帶寬均得到明顯提升。特別是該調(diào)制器件的最大強度調(diào)制深度超過以往所有研究結(jié)果,達到99.9999%。(3)設(shè)計了一種基于石墨烯超結(jié)構(gòu)的太赫茲特異性傳感器。利用雙洛倫茲z1合振動模型分析了傳感器與太赫茲波相互作用所引起的等離子體誘導(dǎo)透明(PIT)現(xiàn)象的產(chǎn)生機理。同時,分析了PIT效應(yīng)對應(yīng)折射率傳感的性能,針對這些性能作了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后選取苯甲酸作為傳感物質(zhì),首次分析了PIT現(xiàn)象應(yīng)用于特異性傳感的效果。借助于PIT現(xiàn)象對太赫茲波超強的束縛能力,相比于傳統(tǒng)金屬超材料傳感器,我們所設(shè)計的傳感器的靈敏度提升了約一個量級,達到6.75 X 103 nm/RIU。此外,該傳感器對苯甲酸的特異性超靈敏傳感的極限小于6.35 μg/cm2。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O441.4
【部分圖文】：

１．１課題研究背景及意義逡逑目前所研宄太赫茲（ＴＨｚ，邋１邋ＴＨｚ＝邋１０１２Ｈｚ）輻射在多數(shù)情況下是指頻率在逡逑０．１－１０邋ＴＨｚ邋（波長在３０微米－３毫米）范圍內(nèi)的電磁波頻段。圖１－１描述了邋ＴＨｚ逡逑波在電磁波譜中具體頻段Ｗ。從圖中可以看到，其電磁頻率屬于高頻毫米波和低逡逑頻紅外波之間的過渡頻段。逡逑Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｒａｄｉａｔｉｏｎ逡逑１少邋１０７邐Ｗ０邋１０＂邋１０１２邋１０丨３邋１＃邋ｉｄ５邋１０１６邋１０１７邋１０丨８邋１０１９邋１０２０逡逑ｗｍ逡逑Ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋Ｒａｄｉｏ－邋ａｎｄ邋Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ邋ＴＨｚ邋Ｉｎｆｒａｒｅｄ邋￥邋Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ邋Ｘ－ｒａｙｓ邋ａｎｄ邋ｙ逡逑ＴＶ－ｗａｖｅｓ邐５逡逑Ｗａｖ（ｃｒｊ！ｎ９ｔｈ邋１0３邋１０２邋１０１邋ｉｏ°邋１０＂１邋ｉ0ｒ２邋ｉ0＇３１０＾邋ｉ0－５邋ｉ0ｒ６邋ｉｃｒ７邋ｉｏ￣８邋ｉｏ－９邋ｉ0＇１０ｉｏ＊ｎ逡逑ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｒ邋Ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑＾邐Ｊ邐Ｊ逡逑Ｖ邐ｒ邋＾邋ｊ邐ｖ逡逑▲邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ邐Ｏｐｔｉｃｓ逡逑Ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ邋ｔｅｒａｈｅｒｔｚ邋ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ逡逑１邋ＴＨｚ邋１邋ｐｓ邋0？邋３３邋ｃｍ－１邋ｇ邋０．３邋ｍｍ邋＜■＞邋４８邋Ｋ邋４．１邋ｍｅＶ逡逑圖１－１太赫茲波段在電磁頻譜中示意圖。逡逑由于相關(guān)科學(xué)技術(shù)的缺乏，太赫茲波的產(chǎn)生和探測很難便捷的實現(xiàn)。因此，逡逑在很長的一段時間內(nèi)，我們不能將太赫茲這一富含利用價值的頻段有效開發(fā)。近逡逑年來隨著電子科學(xué)技術(shù)、光電子科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展

從以上分析可以看出，研制性能優(yōu)越的太赫茲調(diào)制器是ＴＨｚ波相關(guān)技術(shù)良好發(fā)逡逑展的關(guān)鍵。逡逑目前太赫茲調(diào)控技術(shù)可采用電控、光控、溫控等方式。涵蓋了半導(dǎo)體、非線逡逑性材料、液晶材料、石墨烯、超表面等多種內(nèi)容【２６】。逡逑基于半導(dǎo)體的全光控太赫茲波調(diào)制是ＴＨｚ波調(diào)制的基本技術(shù)之一。光控調(diào)逡逑制方式如下：一束激光照射至半導(dǎo)體上，在激光穿透深度區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生光生載流子，逡逑通過改變?nèi)肷浼す夤鈴妬砀淖児馍d流子濃度，從而實現(xiàn)對ＴＨｚ波的調(diào)制。２００６逡逑年，Ｗ．邋Ｊ．邋Ｐａｄｉｌｌａ［２７］采用５０邋ｆｓ－８００邋ｎｍ激光脈沖照射半絕緣砷化鎵上開口諧振環(huán)逡逑電磁超結(jié)構(gòu)。在１邋ＨＪ／ｃｍ２和２邋ｐＪ／ｃｍ２的光量照射時，頻率為０．５６邋ＴＨｚ左右的透逡逑射率分別增長了邋５０％和７０％。逡逑２０１６邋年，Ｅｍｍａ邋Ｐｉｃｋｗｅｌｌ－ＭａｃＰｈｅｒｓｏｎ［２８］等人提出了一種新的邋ＴＨｚ邋調(diào)制器，逡逑該調(diào)制器采取全反射的倏逝波與導(dǎo)電界面相結(jié)合的方式，以提高ＴＨｚ光的衰減逡逑效率。這種方法可以實現(xiàn)接近１００％的調(diào)制。在該項工作中，利用泵浦強度為４７５逡逑ｍＷ／ｃｍ２的ＬＥＤ陣列在硅片上產(chǎn)生載流子，在０．１邋ＴＨｚ－０．８邋ＴＨｚ的寬頻率范圍內(nèi)逡逑實現(xiàn)了最高達９９．９％的調(diào)制深度。逡逑ｆａ）邐ＰｕｍＤｉｎａ邋ｌｉａｈｔ邐ｆｂ）邋ｉ00ｕ？邋■＂＂…丨丨邋１邐．邐一－：邐ｎ逡逑

邐第１章緒論邐逡逑相比于全光控的方式，全電控制的太赫茲調(diào)制器具有較快的開關(guān)速率以及較逡逑方便的調(diào)制方式，因此具有較強的吸引力。和激光摻雜增加載流子數(shù)量的方法類逡逑似，全電控方式通過電控半導(dǎo)體來實現(xiàn)載流子的注入和耗盡。近年來基于半導(dǎo)體逡逑異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器取得了很好的調(diào)制效果。逡逑２００４邋年，Ｔ．邋Ｋｌｅｉｎｅ－Ｏｓｔｍａｎｎ［２９］等人提出了一種基于邋ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ邋的邋ＨＥＭＴ逡逑結(jié)構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器，如圖１－３。調(diào)制是通過負的偏置電壓來降低二維電子氣逡逑體結(jié)構(gòu)中的電子密度來實現(xiàn)，因此隨著偏壓增大，太赫茲輻射的透射強度增加。逡逑通過消耗密度為１０１２ｃｍ＿２的電子氣體，實現(xiàn)了從０．１到２ＴＨｚ頻率范圍內(nèi)的最大逡逑３％的調(diào)制深度。逡逑

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