基于半金属材料光致反常能斯特效应的太赫兹发射技术制造技术

本发明专利技术公开了一种基于半金属材料的光致反常能斯特效应的太赫兹发射技术。本发明专利技术采用同时具有超快载流子动力学特性和较强能斯特热电响应的半金属材料，在脉冲光照产生的瞬态温度梯度作用下，由于材料本身的磁性、非零贝里曲率或者由于磁异质结构在半金属中诱导产生近邻磁化等效应而产生光致反常能斯特电流，以此辐射太赫兹波。这一太赫兹发射技术的器件结构和工艺方法简单，不需施加外场工作，使用方便，太赫兹发射调制灵活。太赫兹发射是太赫兹技术的关键之一，基于半金属材料的光致反常能斯特效应的太赫兹发射技术的上述优点将在保证太赫兹发射性能的前提条件下显著降低超快太赫兹发射器件的成本，推动太赫兹的研究与应用。应用。应用。

【技术实现步骤摘要】
基于半金属材料光致反常能斯特效应的太赫兹发射技术


[0001]本专利技术提供了一种太赫兹波产生的技术，具体涉及一种基于半金属材料的光致反常能斯特效应而辐射太赫兹波的方法。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz)波是一种波长介于0.03
‑
3mm范围的电磁辐射。THz波具有很多独特优点，如：物质的THz光谱包含着非常丰富的物理和化学信息，低导电和极化介质对于THz几乎透明，THz光子的能量低不易造成被测物损伤，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰获得高信噪比等。因此THz波在通信、雷达、天文、材料学、医学成像、安全检查、生物化学物品鉴定等领域具有巨大的应用潜力。但是，THz波也是研究者最少涉足的辐射波段之一，这主要是受到有效THz发射源和灵敏探测器方面的技术限制。
[0003]THz发射源在THz应用中处于基础核心地位，是制约THz技术发展的关键。当前的THz发生器在成本、体积、谱宽或者使用条件方面有着种种缺陷，如当前在科研上所使用的基于飞秒激光非线性光学效应的半导体晶体(ZnTe、InAs、InSb等)和光电导天线THz源，虽然具有体积小、宽带发射和室温工作的优点，但价格在数千到数万元人民币。光电导天线工作还需要外加电源激励，并且由于是微纳加工的光电器件，本身易于损坏。近年来开发的自旋THz发生器虽然理论上能够显著降低成本，但它的工作原理是基于自旋流在磁性和非磁性纳米异质结构间高效的转移，需要极高质量的层间介面才能产生高效的THz发射，这对器件的制备技术工艺提出了非常高的要求，不易普及。/>
技术实现思路

[0004]针对上述基于超快激光的宽谱太赫兹发射器成本昂贵或制备工艺要求较高的问题，本专利技术提出了一种新颖的基于半金属材料的光致反常能斯特效应(一种光热电效应)的THz发射技术，本专利技术能够显著降低基于超快激光的THz发射器的成本。
[0005]THz波可以通过响应时间在皮秒量级的瞬态电流或极化过程产生。传统的热电效应响应速度一般在纳秒甚至微秒量级以上，被认为与THz发射无关。但近年研究发现当飞秒激光照射到具有皮秒动力学响应的热电材料上时，由光吸收导致的载流子的瞬态热化和材料中光强变化建立的温度梯度可以产生皮秒响应的热电流。根据E(t)
∝
dJ/dt(E为远场辐射的电场强度矢量，J为瞬态电流矢量，t为时间)，这一瞬态电流能够辐射THz波。
[0006]能斯特热电流可近似表达为其中S为能斯特电导率，B为磁场强度矢量。因为磁场对电流的偏转作用，由材料中的光致能斯特效应产生的热电流一般在面内方向垂直于温度梯度。相较一般平行于温度梯度即垂直于样品面的光热电流(光致塞贝克效应)，光致能斯特效应所辐射的THz波在垂直样品面方向传播，可以有效而便捷地产生和收集。但由于能斯特效应是通过磁场由塞贝克效应转化而来的，所以一般热电材料的能斯特效应较弱，不利于产生强的电磁辐射。另一方面，产生常规能斯特效应需要施加外磁场，从而增加了THz发射系统的复杂性。如果材料具有磁性或者非零贝里曲率等类磁化性质，这些性质可
以取代外磁场的作用，在没有外磁场的情况下产生反常的能斯特效应，从而使基于能斯特效应的THz发射及调制更为便捷。而且反常能斯特效应强度可以显著超越常规能斯特效应，有利于增强THz发射强度。
[0007]相较于一般材料体系(如常规半导体、金属等)，半金属材料(如石墨、石墨烯、拓扑半金属、拓扑绝缘体表面态等)在基于能斯特效应的THz发射方面具有许多优势。半金属材料中普遍存在光热电效应，是其瞬态电流产生的主要机制之一，而且半金属材料一般拥有很高的载流子迁移率和小的费米面，因此理论和实验发现其具有超越传统热电材料的强的能斯特响应。多数半金属材料都具有皮秒量级的载流子动力学特性，可以产生THz频率的光热电响应。半金属材料的零带隙能带结构还使其不受激发波长的限制，对于各波长激发光都有着显著地吸收，可以在纳米薄膜中产生宽谱响应的高效光热电效应。更加重要的是对于磁性半金属和很多类型的拓扑半金属具有强磁性或非零贝里曲率，可以产生显著的反常能斯特效应，这一效应还能够在磁场的调制下进一步放大并与常规能斯特效应叠加增强。通过构建半金属材料与磁性材料的异质结构，由近邻磁化也能够实现这一效应。因此半金属材料是通过光致反常能斯特效应产生较强THz发射的优选材料体系。
[0008]技术方案
[0009]本专利技术所提出的基于半金属材料的光致反常能斯特效应的THz发射技术，包括如下几个方面：
[0010]1)使用具有皮秒载流子动力学、大的能斯特系数、强磁性或拓扑性质的半金属材料(如磁性半金属、拓扑半金属、拓扑绝缘体表面态等)或半金属/磁性材料异质结构作为THz发射器的基础材料。
[0011]2)以脉冲光作为激发光照射THz发射器，通过光热效应在材料中建立瞬态温度梯度。
[0012]3)通过半金属材料的非零磁化率或非零贝里曲率等类磁化性质引入反常能斯特效应。通过改变磁化率/贝里曲率的强度、方向和器件方位角对THz的发射强度及偏振方向进行调制和优化。
[0013]4)如果半金属材料不具有磁性或拓扑性质，可构建半金属/磁性材料异质结构，通过近邻磁化在半金属材料中引入反常能斯特效应。通过改变磁化率的强度、方向和器件方位角对THz的发射强度及偏振方向进行调制和优化。
[0014]5)为获得大的THz发射强度，激发光强，磁化强度或类磁化强度需要尽量大，但要小于相关材料的损伤阈值或不超过THz发射的强度峰值(若有)。
[0015]6)样品所发射的THz波通过抛物面镜、THz透镜、波导等元件收集，并可利用THz时域光谱系统等方式检测所发射的THz强度及偏振。
[0016]7)THz发射器的结构需针对光学系统专门设计并用特定样品架安装。若采用透射式光学系统，则样品衬底(若有)，样品架及样品安装方式需保证THz波的透过，若激发光先照射在样品衬底面，则需要衬底对激发光透明。若采用反射式光学系统，处上述要求外，还需要样品面方向可调整以满足系统的反射几何。
[0017]8)反常能斯特效应可受磁场调制并与施加磁场产生的常规能斯特效应叠加增强，因此可通过施加外磁场增强和调制THz发射效率及偏振。
[0018]根据THz发射器所使用基础材料的特性和适用场合，本专利技术的THz发射技术采用不
同的THz激发
‑
收集方法。
[0019]1)块体材料：样品可通过特定支撑器(如黏贴或镶嵌在托片上，使被照射面裸露于外)安装在易于调节样品方位角和位置的样品架上，通过反射方式收集所产生的THz波。
[0020]2)外延薄膜或纳米材料：样品直接生长或转移到衬底材料上，然后安装于样品架上，根据所产生THz波的强弱和光学系统的方便性选择照射面和透射、反射方式收集所产生的THz波。
[0021]3)半金属/磁性材料异质结构：两种材料通过外延生长或转移叠加等方式组成异质结构，通过近邻磁化作用或直接施加磁场的方式来引入和调制能斯特效应，根据材料的维度尺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于半金属材料光致反常能斯特效应的太赫兹发射技术，其特征在于，以脉冲光照射半金属材料，由于光吸收和光强在材料中分布不同而产生温度梯度，根据反常能斯特热电效应产生瞬态光热电流，光致瞬态反常能斯特电流作为辐射源向空间中辐射太赫兹波。2.如权利要求1所述的太赫兹发射技术，其特征在于，使用具有磁性或非零贝里曲率等类磁化作用或二者兼具的半金属材料，如磁性半金属、拓扑半金属等，由材料的磁化或类磁化作用可以产生反常能斯特效应，同时半金属材料具有超快载流子动力学特征可以产生皮秒级寿命的瞬态电流而辐射太赫兹频率电磁辐射波，半金属材料的零带隙特性还使其具有宽光谱激发的太赫兹发射能力。3.如权利要求1所述的太赫兹发射技术，其特征在于，使用的半金属材料若不具有磁化或类磁化作用，可以通过构建半金属/磁性材料的异质结构，由磁性材料的近邻磁诱导在半金属层中产生磁化而引入的反常能斯特效应。4.如权利要求1所述的太赫兹发射技术，其特征在于，瞬态能斯特电流的太赫兹发射是通过材料中的非零磁化强度、非零贝里曲率等性质引入的反常能斯特效应产生的，从而可以只通过光激发就能...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙栋，芦伟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：