太赫茲(Terahertz,THz)是電磁波譜中微波與紅外波之間的部分。太赫茲波具有許多獨(dú)特性質(zhì),在安檢和醫(yī)療成像,危險(xiǎn)品與有毒有害物質(zhì)檢測(cè),生物醫(yī)學(xué)研究,新一代通信技術(shù)和天文探測(cè)等方面表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用潛力。太赫茲探測(cè)技術(shù)是太赫茲科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)主要組成部分,是各種太赫茲應(yīng)用的重要基礎(chǔ)之一。近年來,多種太赫茲探測(cè)方式已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注和深入研究,但發(fā)展可室溫工作,響應(yīng)靈敏度高,響應(yīng)速度快,結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單易于集成為線列和面陣的新型太赫茲探測(cè)器件依然是本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。針對(duì)上述問題,本文描述了一種可應(yīng)用于室溫高靈敏度太赫茲探測(cè)的新型強(qiáng)光電導(dǎo)效應(yīng)機(jī)制,并基于此機(jī)制進(jìn)一步推導(dǎo)了新型太赫茲探測(cè)器件的理論模型。隨后我們基于窄禁帶半導(dǎo)體材料銦鎵砷(In_(0.53)Ga_(0.47)As)和銻化銦(InSb)制作了太赫茲探測(cè)器件,并搭建合適的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)器件的響應(yīng)性能進(jìn)行了測(cè)試。此外,本文也對(duì)所制作的器件在室溫太赫茲掃描成像領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索。論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.描述了課題組先前提出的新型強(qiáng)光電導(dǎo)效應(yīng)機(jī)制,詳細(xì)推導(dǎo)了基于這一機(jī)制設(shè)計(jì)和制備的太赫茲光電探測(cè)器件的理論響應(yīng)率公式。這一機(jī)制本質(zhì)上是利用光的波動(dòng)性特征實(shí)現(xiàn)對(duì)光子能量遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體禁帶寬度的電磁波的探測(cè),突破了基于光致躍遷效應(yīng)的經(jīng)典光電探測(cè)器件在太赫茲波段的應(yīng)用局限性。2.基于提出的這一機(jī)制,采用三元窄禁帶半導(dǎo)體In_(0.53)Ga_(0.47)As(IGA)薄膜材料和窄禁帶半導(dǎo)體InSb材料,設(shè)計(jì)并制作了一批新型太赫茲探測(cè)器件;隨后進(jìn)一步優(yōu)化器件設(shè)計(jì),制作了對(duì)數(shù)螺旋天線耦合的IGA太赫茲探測(cè)器件。3.對(duì)上述兩種太赫茲探測(cè)器件在室溫下進(jìn)行了響應(yīng)性能標(biāo)定,結(jié)果表明,IGA器件實(shí)現(xiàn)了噪聲等效功率優(yōu)于10~(-11) W/Hz~(0.5),響應(yīng)時(shí)間常數(shù)約為10~(-5)~10~(-6) s的高靈敏度快速探測(cè);InSb器件實(shí)現(xiàn)了噪聲等效功率最低可達(dá)10~(-13) W/Hz~(0.5),響應(yīng)時(shí)間常數(shù)約為10~(-5) s的高靈敏度快速探測(cè)。4.搭建變溫測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試了IGA太赫茲探測(cè)器件在233~293 K溫度區(qū)間內(nèi)的亞太赫茲波段響應(yīng)變化情況,以及InSb太赫茲探測(cè)器件在77~297 K溫度區(qū)間內(nèi)的亞太赫茲和太赫茲波段響應(yīng)變化情況。通過將器件在變溫條件下的響應(yīng)變化情況與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比,并將標(biāo)定得到的器件響應(yīng)率與計(jì)算得到的理論值進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步確認(rèn)和發(fā)展了先前提出的新型強(qiáng)光電導(dǎo)效應(yīng)機(jī)理。5.搭建了太赫茲掃描成像系統(tǒng),使用制作的IGA太赫茲探測(cè)器件作為系統(tǒng)接收端,實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)生物物體和金屬物體的掃描成像,驗(yàn)證了器件在太赫茲成像領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN304;O441.4
【部分圖文】：

第1章 引言在電磁波譜中，太赫茲(Terahertz,THz)是介于微波與紅外之間的波段。太波通常被定義為頻率范圍在 0.1 THz ~ 10 THz，對(duì)應(yīng)波長范圍在 3mm ~ 30 μ間的電磁波[1-5]，頻率為 1 THz 的電磁波對(duì)應(yīng)波長為 300 μm，光子能量為 4.eV。太赫茲波的光子能量較小，通常遠(yuǎn)小于常見半導(dǎo)體材料的本征禁帶寬度質(zhì)能級(jí)寬度；地球大氣對(duì)太赫茲波的吸收也非常強(qiáng)烈，這些因素都為太赫茲與技術(shù)的發(fā)展帶來了嚴(yán)重困難。傳統(tǒng)的微波或紅外器件往往不能工作在太赫段，由于缺乏有效的產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲波的手段，這一波段曾被稱為“Teraheap”。時(shí)至今日，發(fā)展靈敏度高，響應(yīng)速度快，可室溫工作且結(jié)構(gòu)簡單易于集太赫茲探測(cè)器件依然是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題[6-11]。

目前較多應(yīng)用于安檢和醫(yī)療成像的X光相比，太赫茲波的光子能量起電離輻射，對(duì)人體安全無傷；而和微波相比，太赫茲波的波長的成像空間分辨率更高。此外，太赫茲波不會(huì)與非極性分子發(fā)生相好；而水分子對(duì)太赫茲波的吸收非常強(qiáng)烈，可以利用不同性狀的生不同導(dǎo)致其對(duì)太赫茲波的吸收和反射效率這一特點(diǎn)，通過太赫茲成物組織進(jìn)行高靈敏度判斷[20-28]。許多生物大分子的分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)茲頻段內(nèi)，通過對(duì)這些物質(zhì)的太赫茲頻譜分析，可以獲取物質(zhì)內(nèi)部31]。太赫茲成像在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已有很多研究。圖 1.2 展示光纖掃描近場(chǎng)成像裝置獲得的人類乳腺組織照片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)健康組的有效分辨[32]；圖 1.3 展示了利用反射式太赫茲成像系統(tǒng)對(duì)小鼠皮度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以看到太赫茲成像結(jié)果直觀地反應(yīng)了燒傷組織的

圖 1.3 通過太赫茲反射成像實(shí)時(shí)監(jiān)控小鼠表皮組織的燒傷程度[33]Figure 1.3 In vivo study of the burnt wound on a piece of rat skin through reflective THzimaging1.1.2 太赫茲安檢與有害物質(zhì)檢測(cè)
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