CN109557042A - 基于半导体镀多孔金属薄膜结构的太赫兹增强方法及系统 - Google Patents
基于半导体镀多孔金属薄膜结构的太赫兹增强方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种增强场太赫兹波辐射的纳米介孔金属薄膜结构的制备方法，包括以下步骤：先制备出含有至少两种金属元素的合金薄膜，然后在一定条件下将其中至少一种金属元素经化学反应蚀出，得到表面粗糙、内部含有大量纳米介孔的金属薄膜，然后将该表面粗糙、内部含有大量纳米介孔的金属薄膜镀覆到半导体衬底的表面。通过该方法制得的纳米介孔金属薄膜结构，能从根本上提高太赫兹波的能量上限，从而获得强场太赫兹波。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波产生领域，主要涉及利用半导体镀纳米介孔金属结构实现增加太赫兹波转化效率的系统、半导体镀纳米介孔金属结构及其制备方法。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1～10THz(1THz＝1012Hz)之间的电磁波，位于电磁波谱的微波和红外波段之间。太赫兹波是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域，本身除了具有电磁波的波粒二象性外，还有低能性、相干性、瞬态性、高穿透性、光谱指纹特性、宽带性和水吸收性等优越独特的性质，因此太赫兹波在研究宇宙背景辐射、生物医学成像、癌症检测、药物毒品检测、爆炸物检测、无损成像、安检、无线通信等领域都有很大的研究价值和前景。虽然低能量太赫兹波已经应用于诸多领域，但高能(脉冲能量大于微焦μJ)、强场(脉冲峰值电磁大于MV/m)的太赫兹辐射源意味着更尖端、更前沿、更创新的研究领域和应用。因此，研究出更高转换效率、高能量、高场强的太赫兹场辐射方法是十分有意义和价值的。
常见的产生高能量、宽频谱太赫兹辐射的方法，如采用超快激光激励气体或非线性晶体等，都需要强激光作为激发源，其激光功率密度至少需要达到千GW/cm2以上，因此，所需激光光源系统庞大，对环境要求高，极大地限制了太赫兹仪器向小型化的迈进。传统的半导体太赫兹天线虽对激发光源要求较低，但其对泵浦激光的损伤阈值很低，略高的激光能量便会击穿激光作用的靶面，而且常规的半导体太赫兹天线的靶面对入射光的反射率超过30％，极大地限制了太赫兹辐射的效率。已有的改进方法，如通过设计镀在半导体太赫兹天线表面的金属布线结构，能略微提高半导体太赫兹天线的太赫兹波产生效率和频谱宽度；或者在激光作用的靶面区域镀一层金属纳米岛阵列，可以形成局域场增强从而使太赫兹波辐射增强；或者在半导体太赫兹天线的金属导线之间沉积纳米颗粒，可以增加激光作用在半导体太赫兹天线上产生的光电流大小，从而增强场太赫兹波辐射；或者在半导体太赫兹天线表面镀一层离子纳米材料，减少入射光的反射率等方法。然而这些方法都不能从根本上提高太赫兹波的能量上限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供能从根本上提高太赫兹波的能量上限，从而获得强场太赫兹波的方法、结构及系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种增强场太赫兹波辐射的纳米介孔金属薄膜结构的制备方法，包括以下步骤：先制备出含有至少两种金属元素的合金薄膜，然后在一定条件下将其中至少一种金属元素经化学反应蚀出，得到表面粗糙、内部含有大量纳米介孔的金属薄膜，然后将该表面粗糙、内部含有大量纳米介孔的金属薄膜镀覆到半导体衬底的表面。
优选地，所述合金薄膜的其中一种金属元素是银元素，其它金属元素不能在硝酸溶液中蚀出，所述“在一定条件下将其中至少一种金属元素经化学反应蚀出”具体地：把合金薄膜放入硝酸溶液中，从而将其中的银元素蚀出。
本发明还提供一种半导体镀纳米介孔金属薄膜结构，包括纳米介孔金属薄膜和半导体衬底，所述纳米介孔金属薄膜镀覆在半导体衬底的表面，所述纳米介孔金属薄膜表面粗糙、内部含有大量纳米介孔。
优选地，所述半导体镀纳米介孔金属薄膜结构经权利要求1或2所述的方法制得。
优选地，所述合金薄膜的其中一种金属元素是金元素，其他全部金属元素经化学反应蚀出。
优选地，所述纳米介孔金属薄膜有单层或者多层。
优选地，所述半导体衬底是电子迁移率大于4000cm2/v·s的高电子迁移率半导体晶体。
本发明还提供基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹波增强系统，包括飞秒脉冲激光模块、太赫兹波产生模块和太赫兹波探测模块，所述飞秒脉冲激光模块发射出飞秒脉冲激光作为产生太赫兹波的泵浦光源，所述太赫兹波探测模块用于探测太赫兹波，所述太赫兹波产生模块包括上述的半导体镀纳米介孔金属薄膜结构，所述半导体镀纳米介孔金属薄膜结构受飞秒脉冲激光激发产生强场太赫兹波。
优选地，所述飞秒脉冲激光模块包括光纤飞秒脉冲激光器和分束镜，所述光纤飞秒脉冲激光器用于发射飞秒脉冲激光，所述分束镜把飞秒脉冲激光分成泵浦光和探测光，所述泵浦光激发半导体镀纳米介孔金属薄膜结构产生强场太赫兹波，所述探测光入射到太赫兹波探测模块中与强场太赫兹波汇合，以便太赫兹波探测模块扫描出强场太赫兹波的时域波形。
优选地，所述太赫兹波探测模块包括半导体太赫兹探测天线、离轴抛物面镜、锁相放大器和光学延迟线，所述离轴抛物面镜把从太赫兹波产生模块中产生的强场太赫兹波汇集到半导体太赫兹探测天线，所述光学延迟线用于调整探测光的光程，使得探测光与强场太赫兹波的时域同步后把探测光入射到半导体太赫兹探测天线，所述半导体太赫兹探测天线在接入时域同步的强场太赫兹波和探测光后输出微弱电信号，所述微弱电信号接入所述锁相放大器以进行太赫兹波检测。
本发明具有以下有益效果：
1.纳米介孔金属薄膜内部有许多纳米介孔，相比于普通的金属纳米薄膜而言，具有更高的非线性系数以及表面电子发射能力，从而发射更强场太赫兹波。所述的普通金属纳米薄膜是厚度在百纳米量级且表面平整的一层金属薄膜。在飞秒脉冲激光的作用下，介孔金属靶面区域更容易产生表面光电子，并形成等离子体共振。等离子体共振可以产生比入射激光更高的局域电场，使表面光电子被激发成自由电子，形成等离子体电流。等离子体电流J⊥＝eNev，其中e表示电子电荷，Ne表示电子密度，v表示电子的移动速度，并辐射出偏振态与入射光偏振态平行的太赫兹波。辐射出的太赫兹波强度与入射光功率密度成正比。
2.受激发激光的功率饱和阈值更高。普通的金属纳米薄膜受强激光照射时，表面一部分电子震荡产生太赫兹波，然而另一部分金属内部的电子在外激光电场的作用下，会从金属的激光作用表面移动到金属的背面。背部大量的电子聚集，会产生反向电场，对太赫兹波的产生起抑制的效果。因此普通的金属纳米薄膜在高功率密度的激光作用下，太赫兹波辐射效率反而下降。本发明提出的基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹波增强系统，在同样的高功率密度激光激发下，因为半导体镀纳米介孔金属薄膜结构表面等离子体电场强度比激光电场的更强，所以金属内部受电场影响的电子动能更大。
3.在电子的迁移注入超快过程中，能产生太赫兹波。纳米介孔金属薄膜靶面区域的内部电子在激光电场作用下会迁移注入到半导体衬底中。该电子注入是一个超快过程，小于一个太赫兹波的辐射时间。并且在电子的迁移运动过程中，电子的运动速度快速衰减，产生太赫兹波，并与纳米介孔金属薄膜表面的等离子体电流震荡产生的太赫兹波叠加，从而获得更强的太赫兹波。
4.激光激发过程中的高自由电子浓度增加介质中的瞬时电流，使得产生的太赫兹波进一步增强。自由电子在激光电场作用下从介孔金属薄膜中电离，并在电场作用下迁移注入半导体衬底，此时半导体衬底兼具自由电子及光生载流子，此过程中产生的太赫兹波与电子浓度大小成正比。因此，从介孔金属薄膜中透过的部分飞秒脉冲激光作用到高浓度自由电子半导体衬底上，进一步获得更强的太赫兹波。
5.结合金属及半导体光整流效应，得到相干叠加的强场太赫兹波。本发明提出的增强场太赫兹波的纳米介孔金属薄膜结构将金属表面和半导体光整流两种方法相结合，并将金属表面扩展优化为纳米介孔表面。增强的非线性系数及表面电子发射能力使纳米介孔表面产生的太赫兹波优于普通金属薄膜；纳米介孔金属材料与半导体材料之间的电子转移注入使得半导体产生的太赫兹波强于相同条件下的半导体；除此之外，两种介质产生的太赫兹波在传输过程中相干叠加，进一步获得更强的太赫兹波。
6.有利于太赫兹波的全光学调制。本发明中的半导体镀介孔金属薄膜结构，其实现太赫兹波增强发射的主要原因是金属内部的电子在外电场的作用下进一步迁移运动到半导体衬底中，电子迁移产生太赫兹波。但是，外部注入的电子会使半导体中的载流子浓度发生变化，即非平衡状态，而半导体恢复到载流子平衡状态需要几十到几百皮秒的时间。根据扩散原理，当半导体中电子浓度高于迁移电子的浓度时，介孔金属薄膜内部的电子将不会迁移进入半导体衬底中。利用这一原理，当调控激光脉冲和受调控激光脉冲这两束飞秒脉冲激光的时间间隔控制在半导体衬底材料的非平衡载流子恢复时间以内时，调控激光脉冲将先到达介孔金属薄膜表面，并一定程度地抑制受调控激光脉冲所激励的介孔金属薄膜内部电子迁移进入半导体衬底中，从而控制了受调控激光脉冲所引起的纳米介孔金属薄膜内部电子迁移注入过程的发生。因此，可以通过改变调控激光脉冲的功率、调控激光脉冲与受调控激光脉冲之间的时域间隔，实现纯光学方法对增强场太赫兹波发射过程的控制。
附图说明
图1是基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹增强系统的具体结构示意图；
图2是基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹增强系统的原理示意图；
图3是在飞秒脉冲激光激励下，纳米介孔金属薄膜的表面等离子体电流和内部电子迁移运动协同作用产生强场太赫兹波的示意图；
图4是纳米介孔金属薄膜在扫描电子显微镜下的示意图；
图5是太赫兹波与飞秒脉冲激光功率密度之间的关系示意图；
图6是在某一超过纳米介孔金属薄膜的饱和功率阈值的激光强度下，太赫兹波的时域图；
图7是纳米介孔金属薄膜内部的电子迁移注入半导体衬底中所引起的基底平均折射率变化量与飞秒脉冲激光功率密度之间的关系结果示意图。
附图标记说明：100-飞秒脉冲激光模块；101-光纤飞秒脉冲激光器；102-分束镜；200-半导体镀纳米介孔金属薄膜结构；201/202/203/204-平面反射镜；205-聚焦透镜；206-太赫兹增强发射器；21-纳米介孔金属薄膜；22-半导体衬底；300-太赫兹波探测模块；301/302/303/304-平面反射镜；305-半导体太赫兹探测天线；306-离轴抛物面镜；307-离轴抛物面镜；308-锁相放大器。
具体实施方式
基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹波增强系统的具体结构如图1所示，包括飞秒脉冲激光模块100、太赫兹波产生模块200和太赫兹探测模块300。飞秒脉冲激光模块100用于输出飞秒脉冲激光，该飞秒脉冲激光作为产生太赫兹波的泵浦光源；所述太赫兹波产生模块200受飞秒脉冲激光激发，用于产生强场太赫兹波；太赫兹探测模块300用于探测从太赫兹波产生模块200产生的强场太赫兹波。
飞秒脉冲激光模块100包括光纤飞秒脉冲激光器101和分束镜102，太赫兹波产生模块200包括平面反射镜201、202、203、204、聚焦透镜205和半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206，太赫兹探测模块300包括平面反射镜301、302、303、304、半导体太赫兹探测天线305、离轴抛物面镜306、307和锁相放大器308。从光纤飞秒脉冲激光器101中发射出来的飞秒脉冲激光序列被分束镜102分成泵浦光(强)和探测光(弱)，泵浦光透过分束镜102后经过由平面反射镜201、202、203和204组成的平面反射镜组，再经过聚焦透镜205被聚焦，半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206放在聚焦透镜205的焦点处，则半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206受聚焦后的飞秒脉冲激光激发，产生强场太赫兹波。强场太赫兹波被一对90°离轴抛物面镜306、307收集，并汇聚入半导体太赫兹探测天线305上。平面反射镜301、302放在线性步进电机(图中未示出)上，从而形成光学延迟线，探测光被分束镜102反射后，依次经过光学延迟线和由平面反射镜303、304组成的平面反射镜组后，入射到半导体太赫兹探测天线305上，半导体太赫兹探测天线305在接收到强场太赫兹波和探测光后输出微弱电信号，该微弱电信号接入到锁相放大器308中以进行太赫兹波检测。在上述探测光入射到半导体太赫兹探测天线305的过程中，线性步进电机带动平面反射镜301、302在探测光入射到平面反射镜301的方向上移动，从而改变探测光的光程，实现光学延迟。通过光学延迟线可调整探测光的光程，使得探测光与泵浦光在时域上同步，这样由太赫兹波产生模块200中的半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206产生的强场太赫兹波与探测光在半导体太赫兹探测天线305中汇合后，半导体太赫兹探测天线305就可以扫描出强场太赫兹波的时域波形。
基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹波增强系统的原理图如图2所示，则从图2中可得出在最理想的情况下，该太赫兹波增强系统只需要光纤飞秒脉冲激光器101、分束镜102、聚焦透镜205、半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206、半导体太赫兹探测天线305、其中一个离轴抛物面镜306(或307)和锁相放大器308即可组建，而由平面反射镜201、202、203、204组成的平面反射镜组主要用于调整光的传播路径及光程，以便泵浦光准确入射到聚焦透镜205，由平面反射镜301、302组成的光学延迟线和由平面反射镜303、304组成平面反射镜组主要用于调整探测光的光程以适应泵浦光的光程，以及用于调整探测光的路径以使探测光准确入射到半导体太赫兹探测天线305。
半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206如图3所示，包括纳米介孔金属薄膜21和半导体衬底22，所述半导体衬底22是电子迁移率大于4000cm2/v·s的高电子迁移率半导体晶体，则半导体衬底22能快速注入来自纳米介孔金属薄膜21的电子。纳米介孔金属薄膜21可以有单层或者多层，或者不同金属材质的纳米介孔薄膜，这样半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206就可以输入不同波段的泵浦光来激发。在飞秒脉冲激光模块100输出的飞秒脉冲激光的激发下，在纳米介孔金属薄膜21的激光作用区域会发生等离子体谐振，则纳米介孔金属薄膜21的表面会产生表面等离子体电流，等离子体电流在局域电场的作用下获得加速，辐射出太赫兹波；由于纳米介孔金属薄膜21的厚度在百纳米量级，在激光作用区域内，纳米介孔金属薄膜21内部的电子也会被垂直于纳米介孔金属薄膜21平面分量的瞬态电场所加速，并从纳米介孔金属薄膜21中迁移到半导体衬底22内部，这种金属内部电子的迁移运动也能产生太赫兹波。在表面等离子体电流和内部电子的迁移过程中，在一束飞秒脉冲激光的激发时间内，半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206同时产生上述两束太赫兹波，这两束太赫兹波相干叠加后，从半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206中辐射出强场太赫兹波。
本实施例中，半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206中的纳米介孔金属薄膜21采用百纳米厚的金属薄膜，半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206的制备步骤如下：先取一层百纳米左右厚度的含有金元素和银元素的合金属薄膜，其中金元素和银元素的含量比为1：3，然后把该合金属薄膜放入饱和的硝酸溶液中将银元素完全蚀出，即可制得表面粗糙、内部含有大量纳米孔的纳米介孔金属薄膜21，然后将纳米介孔金属薄膜21镀覆到高电子迁移率的半导体衬底22的表面上，即可得到半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206。图4是纳米介孔金属薄膜21在扫描电子显微镜下的平面图，其中暗色部分是纳米介孔，亮色部分是金元素。本实施例的纳米介孔金属薄膜21只有金元素，则纳米介孔金属薄膜21化学活性低且耐腐蚀，在与激光的相互作用过程中，不易发生化学反应。
图5示出了半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206(对应图中实线)和普通的纳米介孔金属薄膜(对应图中虚线)两种样品在不同光功率密度下太赫兹波产生效率的对比情况，其中，纵坐标是太赫兹波时域波形的峰峰值，横坐标是飞秒脉冲激光的功率密度。通过图5可得出半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206受飞秒脉冲激光的饱和阈值比普通的纳米介孔金属薄膜更高，半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206可以产生更强的太赫兹波。
图6示出了在某一超过纳米介孔金属薄膜的饱和功率阈值的激光强度下，分别从半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206(对应图中实线)和普通的纳米介孔金属薄膜(对应图中虚线)两种样品表面辐射的太赫兹波时域图，其中，纵坐标是太赫兹波时域波形的幅值，横坐标是时域延迟值。通过图6可得出半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206辐射出的太赫兹波幅值比普通的纳米介孔金属薄膜更大，说明半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206的受激发激光的功率饱和阈值更高。
纳米介孔金属薄膜21表面等离子体电流和内部电子迁移注入半导体衬底22中所引起的半导体衬底22的平均折射率变化率与飞秒脉冲激光的功率密度之间的关系图如图7所示，其中，纵坐标是半导体衬底平均折射率的改变量与半导体衬底平均折射率的比值，即是半导体衬底平均折射率变化率，横坐标是飞秒脉冲激光的功率密度。在飞秒脉冲激光的作用下，半导体镀纳米介孔金属薄膜结构206会发生表面电子发射、内部电子加速、半导体衬底22有电子注入迁移等现象，此时各种电子的运动协同作用，叠加辐射出强场太赫兹波。其中，纳米介孔金属薄膜21内部的电子迁移注入到半导体衬底22中会引起半导体衬底22的平均折射率减小。从图7可以总结出，随着飞秒脉冲激光功率密度的增加，半导体衬底22的平均折射率的减小量越大，说明了从纳米介孔金属薄膜21中进入半导体衬底22中的电子越多，该过程一方面使得纳米介孔金属薄膜21中不会产生反向电场而抑制太赫兹波的产生，另一方面大量电子的迁移加速运动，可以产生太赫兹波。
Claims (10)
1.一种半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先制备出含有至少两种金属元素的合金薄膜，然后在一定条件下将其中至少一种金属元素经化学反应蚀出，得到表面粗糙、内部含有大量纳米介孔的金属薄膜，然后将该表面粗糙、内部含有大量纳米介孔的金属薄膜镀覆到半导体衬底的表面。
2.根据权利要求1所述的半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的制备方法，其特征在于，所述合金薄膜的其中一种金属元素是银元素，其它金属元素不能在硝酸溶液中蚀出，所述“在一定条件下将其中至少一种金属元素经化学反应蚀出”具体地：把合金薄膜放入硝酸溶液中，从而将其中的银元素蚀出。
3.一种半导体镀纳米介孔金属薄膜结构，包括纳米介孔金属薄膜和半导体衬底，所述纳米介孔金属薄膜镀覆在半导体衬底的表面，其特征在于：所述纳米介孔金属薄膜表面粗糙、内部含有大量纳米介孔。
4.根据权利要求3所述的半导体镀纳米介孔金属薄膜结构，其特征在于：所述半导体镀纳米介孔金属薄膜结构经权利要求1或2所述的方法制得。
5.根据权利要求4所述的半导体镀纳米介孔金属薄膜结构，其特征在于：所述合金薄膜的其中一种金属元素是金元素，其他全部金属元素经化学反应蚀出。
6.根据权利要求3所述的半导体镀纳米介孔金属薄膜结构，其特征在于：所述纳米介孔金属薄膜有单层或者多层。
7.根据权利要求3所述的半导体镀纳米介孔金属薄膜结构，其特征在于：所述半导体衬底是电子迁移率大于4000cm2/v·s的高电子迁移率半导体晶体。
8.基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹波增强系统，包括飞秒脉冲激光模块、太赫兹波产生模块和太赫兹波探测模块，所述飞秒脉冲激光模块发射出飞秒脉冲激光作为产生太赫兹波的泵浦光源，所述太赫兹波探测模块用于探测太赫兹波，其特征在于：所述太赫兹波产生模块包括权利要求3至7任一项所述的半导体镀纳米介孔金属薄膜结构，所述半导体镀纳米介孔金属薄膜结构受飞秒脉冲激光激发产生强场太赫兹波。
9.根据权利要求8所述的基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹波增强系统，其特征在于：所述飞秒脉冲激光模块包括光纤飞秒脉冲激光器和分束镜，所述光纤飞秒脉冲激光器用于发射飞秒脉冲激光，所述分束镜把飞秒脉冲激光分成泵浦光和探测光，所述泵浦光激发半导体镀纳米介孔金属薄膜结构产生强场太赫兹波，所述探测光入射到太赫兹波探测模块中与强场太赫兹波汇合，以便太赫兹波探测模块扫描出强场太赫兹波的时域波形。
10.根据权利要求9所述的基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构的太赫兹波增强系统，其特征在于：所述太赫兹波探测模块包括半导体太赫兹探测天线、离轴抛物面镜、锁相放大器和光学延迟线，所述离轴抛物面镜把从太赫兹波产生模块中产生的强场太赫兹波汇集到半导体太赫兹探测天线，所述光学延迟线用于调整探测光的光程，使得探测光与强场太赫兹波的时域同步后把探测光入射到半导体太赫兹探测天线，所述半导体太赫兹探测天线在接入时域同步的强场太赫兹波和探测光后输出微弱电信号，所述微弱电信号接入所述锁相放大器以进行太赫兹波检测。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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