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(qiáng)穿透性等許多獨(dú)特的性質(zhì),在軍事通信、生物醫(yī)療、安全檢測(cè)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(diǎn)。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(cè)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(shí)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(cè)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(shí)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(duì)太赫茲波的響應(yīng)顯著,解決了傳統(tǒng)材料對(duì)太赫茲波響應(yīng)較弱的問題。利用其與太赫茲波強(qiáng)烈的相互作用,能夠有效提升太赫茲調(diào)制器件的性能,進(jìn)而促進(jìn)太赫茲相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。此外,借助新型半導(dǎo)體對(duì)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(cè)物的特征吸收峰頻段,由于特定物質(zhì)的吸收會(huì)導(dǎo)致頻譜相應(yīng)的變化,從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的特異性識(shí)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(shí)別領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力。然而,目前針對(duì)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(duì)其做大量的探索�；谝陨媳尘�,本文對(duì)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(xì)的研究。利用太赫茲波與物質(zhì)相互作用、場(chǎng)效應(yīng)管、半導(dǎo)體擊穿等理論,在自建太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)上進(jìn)行了相關(guān)分析。開展的主要工作如下:(1)對(duì)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(jìn),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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)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(cè)了太赫茲調(diào)制器件的單頻調(diào)制性能,所設(shè)計(jì)的調(diào)制器的最大單頻調(diào)制深度達(dá)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(shí)驗(yàn)對(duì)該模型作了詳細(xì)的驗(yàn)證。接下來在實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)研究了太赫茲波調(diào)制深度對(duì)偏置電流的依賴特性。同時(shí),還測(cè)量了軟擊穿狀態(tài)下光泵浦對(duì)該器件調(diào)制性能的影響。借助于軟擊穿狀態(tài)下超強(qiáng)的載流子注入,我們所設(shè)計(jì)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(qiáng)度調(diào)制深度超過以往所有研究結(jié)果,達(dá)到99.9999%。(3)設(shè)計(jì)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(dòng)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(jī)理。同時(shí),分析了PIT效應(yīng)對(duì)應(yīng)折射率傳感的性能,針對(duì)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(duì)太赫茲波超強(qiáng)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(jì)的傳感器的靈敏度提升了約一個(gè)量級(jí),達(dá)到6.75 X 103 nm/RIU。此外,該傳感器對(duì)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(jí)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�。睿梗簦桢澹�0３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(cè)很難便捷的實(shí)現(xiàn)。因此，逡逑在很長的一段時(shí)間內(nèi)，我們不能將太赫茲這一富含利用價(jià)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?qiáng)來改變光生載流子濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，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(shí)現(xiàn)接近１００％的調(diào)制。在該項(xiàng)工作中，利用泵浦強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了最高達(dá)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(qiáng)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(shí)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(fù)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(shí)現(xiàn)，因此隨著偏壓增大，太赫茲輻射的透射強(qiáng)度增加。逡逑通過消耗密度為１０１２ｃｍ＿２的電子氣體，實(shí)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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本文編號(hào)：2817709