CN113178766A - 一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器，包括低能量宽带太赫兹脉冲产生装置、太赫兹单色辐射发生器和用于控制太赫兹单色辐射发生器所处温度的温度控制装置；所述太赫兹单色辐射发生器包括二维材料层和高透射基底，二维材料层装载于高透射基底上，低能量宽带太赫兹脉冲产生装置发出的宽带太赫兹脉冲依次经过二维材料层、高透射基底输出单色太赫兹辐射；通过该太赫兹发生器的二维材料层在出射端实现高效的单色太赫兹辐射。

Description

一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器

技术领域

本发明涉及电磁波技术领域，尤其涉及一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器。

背景技术

产生太赫兹的方法很多，但是目前较为成熟的发射技术一般主要为基于半导体光电导效应和基于非线性电光晶体光整流效应的两种手段。光电导技术利用偶极天线技术，将半导体光电导材料(如GaAs、InP或Si等)制备成天线结构，用光子能量大于半导体禁带宽度的超短脉冲激光激发天线结构，其半导体材料中产生大量的电子-空穴对，这些被激发的载流子在天线外加偏置电场的作用下瞬时加速，产生强度迅速增加的瞬态电流，并且将储存的静电势能以电磁脉冲的形式释放出来，并通过天线结构向自由空间传播。另一种方法为光整流方法，该方法可以理解为泡克尔斯效应的逆过程。一般是指一束高强度单色激光通过非线性光学介质时，由于其二阶非线性效应产生一个直流极化场，并在介质中建立一个直流电场的现象。光整流过程可以看作是作为泵浦光的超短激光脉冲展宽的带宽中相差不大的两个频率成分之间频率差接近于零的差频过程。当利用飞秒激光泵浦电光晶体产生太赫兹脉冲时，由于飞秒量级时间尺度的脉冲频谱范围非常宽，即脉冲中包含了大量频率分量，所以其中任何两个频率之间均可以进行差频，最后获得的结果就是所有频率分量之间相互差频得到的电磁波的加权之和。一般来说，其差频刚好对应于太赫兹频段，从而形成对应的太赫兹辐射。此外，近年来，人们发展出了一种基于逆自旋霍尔效应的无磁/铁磁材料的异质结结构，利用外部激光激发产生的载流子在该结构中输运过程中产生的自旋流的瞬态过程，实现相应的太赫兹波辐射。

综上所述，以上常用的太赫兹产生方法虽然在发射功率，稳定性等方面有了一定的提升，但仍然存在一定的局限性。光电导和逆自旋霍尔效应发射机制中强激发作用导致的强烈散射作用、光整流激发脉冲中存在的多种差频成分，这些都导致了其很难实现相应的窄带或者单色太赫兹辐射。此外，光电导天线需要在半导体材料的基础上制备额外的电极结构，在一定程度上增加了工艺复杂度和成本；而光整流效应为非线性效应，产生一定的太赫兹辐射需要更强的激光进行激发，且需要较大的作用面积，这限制了该太赫兹源的集成化应用。这些现存的问题都限制了其在相应关键领域(如通讯，量子计算等)的应用和发展。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器，透过二维材料层在出射端实现高效的单色太赫兹辐射。

本发明提出的一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器，包括低能量宽带太赫兹脉冲产生装置、太赫兹单色辐射发生器和用于控制太赫兹单色辐射发生器所处温度的温度控制装置；所述太赫兹单色辐射发生器包括二维材料层和高透射基底，二维材料层装载于高透射基底上，低能量宽带太赫兹脉冲产生装置发出的宽带太赫兹脉冲依次经过二维材料层、高透射基底输出单色太赫兹辐射。

进一步地，所述太赫兹发生器还包括用于调控太赫兹单色辐射发生器发射频率的应力发生装置、用于调控太赫兹单色辐射发生器发射带宽的电场发生装置和用于调控太赫兹单色辐射发生器发射强度的磁场发生装置；

应力发生装置的应力场方向作用于二维材料层的低频声子方向，电场发生装置的电场方向作用于二维材料层的电声耦合方向，磁场发生装置的磁场方向作用于二维材料层的自旋声子耦合方向。

进一步地，所述二维材料层和高透射基底连接形成单色辐射组件，多个单色辐射组件依次排布连接形成多级器件结构。

进一步地，二维材料为晶体薄层或者多级薄层堆叠器件结构，单个或多个二维材料层装载于同一高透射基底上。

进一步地，高透射基底为太赫兹高透射柔性或刚性材料。

进一步地，所述的二维材料为以下材料之一或多种材料依次堆叠构成：Cr₂Ge₆Te₆、Cr₂Si₂Te₆、MoS₂、MoSe₂、WSe₂、WS₂、石墨烯、黑磷、氮化硼、FeSe、RuCl、α-MoO₃单一成分或掺杂体。

进一步地，所述的高透射基底为以下材料之一或多种材料依次堆叠构成：PET、聚四氟乙烯、高阻硅、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化钒。

本发明提供的一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器的优点在于：本发明结构中提供的一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器，二维材料层所形成的单层结构太赫兹单色辐射发生器，可以在有效降低二维材料太赫兹吸收的同时，实现较为显著的单色太赫兹辐射；二维材料层所形成的多级器件结构太赫兹单色辐射发生器，使得使太赫兹辐射能在每一级结构中实现太赫兹波辐射强度叠加，最终出射的单色太赫兹辐射光强实现幂指数增强的同时，有效降低其他频段的光强，因而具有较高的能量转换效率；通过设置温度控制装置，可以控制太赫兹单色辐射发生器的工作环境，在低于范德瓦尔斯声子扰动温度时，可实现明显的单频太赫兹发射，通过设置的应力发生装置、电场发生装置和磁场发生装置，从而调控太赫兹单色辐射发生器额发射频率、发射带宽、发射强度，使得所产生的单色太赫兹辐射具有良好的方向性、偏振特、各向异性电场和磁场调控的优点。

附图说明

图1为本发明多级器件结构太赫兹单色辐射发生器的结构示意图；

图2为单层结构太赫兹单色辐射发生器的结构及发射机制示意图；

图3为单层结构太赫兹单色辐射发生器的时域信号对比；

图4为单层结构太赫兹单色辐射发生器的频域信号对比；

图5为太赫兹单色辐射发生器在平行于面内方向的外部磁场调控作用下，其对太赫兹辐射调制深度与磁场强度之间的依赖关系；

图6为Cr₂Ge₂Te₆材料对应的压强与声子能量的线性拟合关系；

图7为基于Cr₂Ge₂Te₆材料发生耦合时，二维材料层中声子模的极化电场方向与入射的宽带太赫兹脉冲的电场分量之间的关系；

其中，1-低能量宽带太赫兹脉冲产生装置，2-太赫兹单色辐射发生器，3-单色太赫兹辐射，4-极化的正电荷，5-极化的负电荷，6-太赫兹激发光子，7-声子极化子，21-二维材料层，22-高透射基底。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1至5所示，本发明提出的一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器，包括低能量宽带太赫兹脉冲产生装置1、太赫兹单色辐射发生器2和用于控制太赫兹单色辐射发生器2所处温度的温度控制装置；所述太赫兹单色辐射发生器2包括二维材料层21和高透射基底22，二维材料层21装载于高透射基底22上，低能量宽带太赫兹脉冲产生装置1发出的宽带太赫兹脉冲依次经过二维材料层21、高透射基底22输出单色太赫兹辐射。

低能量宽带太赫兹脉冲产生装置1可以采用砷化镓光电导天线，二维材料层21可以为单晶薄层或者多级薄层堆叠器件结构，为得到较理想的单色太赫兹辐射强度。对于由单个单晶薄层结构组成的单层结构，厚度减薄到一定程度后，可以在有效降低二维材料层21对太赫兹吸收的同时，实现较为显著的单色太赫兹辐射；而对于多级结构，可通过多层二维材料单晶薄层，以太赫兹高透射基底22为中间层构成多级器件结构。从而使太赫兹辐射能在每一级结构中实现太赫兹波辐射强度叠加，最终出射的单色太赫兹光强实现幂指数增强的同时，有效降低其他频段的光强。

需要说明的是，高透射基底22为太赫兹高透射柔性或刚性材料，因为该太赫兹发射器基于二维材料，而二维材料，如石墨烯，MoS₂等，都具有非常好的柔性及延展性质，因此基地选取上，柔性和刚性材料均可以，二维材料层21、高透射基底22的厚度需在对应发射核心层材料的太赫兹发射和吸收之间做一定平衡，比如，对于Cr₂Ge₂Te₆材料，对宽带太赫兹脉冲的吸收随厚度呈指数级增强，可以通过减薄发射核心层的方法，在获得所需辐射强度的同时，尽量减少核心层吸收对宽带太赫兹脉冲和太赫兹辐射的吸收。并通过多级结构，使足够的宽带太赫兹脉冲透过，进入下一级太赫兹发射核心层中，实现多级增强发射。

需要说明的是，所述二维材料层21和高透射基底22之间的关系；一种可以采用将二维材料层21和高透射基底22通过胶粘贴附连接形成单色辐射组件，多个单色辐射组件依次排布连接形成多级器件结构；另一种可以为：直接在高透射基底22生成二维材料层21，得到单个或多个二维材料层21装载于同一高透射基底22上；以上两种形式将按实际情况进行选择。其中，所述的二维材料为以下材料之一或多种材料依次堆叠构成：Cr2Ge₆Te₆、Cr₂Si₂Te₆、MoS₂、MoSe₂、WSe₂、WS₂、石墨烯、黑磷、氮化硼、FeSe、RuCl、α-MoO₃单一成分或掺杂体；所述的高透射基底22为以下材料之一或多种材料依次堆叠构成：PET、聚四氟乙烯、高阻硅、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化钒。

太赫兹单色辐射发生器2以二维材料的单晶薄层或者多级薄层堆叠器件结构为核心。该结构置于温度控制装置(例如低温恒温器)中，控制其工作环境。在低于范德瓦尔斯声子扰动温度时，可实现明显的单频太赫兹发射。

通过对太赫兹单色辐射发生器2工作温度的控制，可以实现太赫兹单色辐射频率和强度的调控。温度降低，热扰动减弱，声子模式强度和频率均会有所增强，从而实现这种基于二维材料声子模的太赫兹发射频率和强度的增加。比如在Cr₂Ge₂Te₆的太赫兹发射中，随着温度降低到225K，声子模式增强，发射出现并进一步增强，并且发射频率和单色性也有增强趋势；但是进一步降低温度到160K及以下，磁序开始出现，对发射强度的增加趋势产生一定的扰动和衰减。并且在120K达到平衡，对应的最大辐射转换效率可达2.1％。在此之后，随着温度进一步降低，辐射效率开始减弱

应理解的是，传统虽然存在二维材料层21，但是用于单色太赫兹辐射是没有被研究和开发的，因为需要对低能量宽带太赫兹脉冲产生装置1进入二维材料层21的宽带太赫兹脉冲，在二维材料层21的声子模作用下，所产生的混合和耦合，最终得到单频太赫兹辐射。

在本实施例中，所述太赫兹发生器还包括用于调控太赫兹单色辐射发生器2发射频率的应力发生装置、用于调控太赫兹单色辐射发生器2发射带宽的电场发生装置和用于调控太赫兹单色辐射发生器2发射强度的磁场发生装置；应力发生装置的应力场方向作用于二维材料层21的低频声子方向，电场发生装置的电场方向作用于二维材料层21的电声耦合方向，磁场发生装置的磁场方向作用于二维材料层21的自旋声子耦合方向。

对于宽带太赫兹脉冲经过二维材料层21输出太赫兹单色辐射中，如图2所示，宽带太赫兹脉冲作为太赫兹激发光子6进入二维材料层21，太赫兹激发光子与二维材料层21中的极化的负电荷5和极化的正电荷4的振荡发生耦合，形成新的准粒子，即声子极化子7，最终通过声子极化子7输出满足要求的太赫兹单色辐射3。

其中应力发生装置可以采用机械应力装置或者电/磁弹性材料衬底方式对材料施加应力，如铌镁钛酸铅(PMN-PT)、Terfenol-D等，通过对这些材料施加合适的电场和磁场，它们可以产生一定程度的弹性形变，从而对这类衬底表面的二维材料层21施加机械应力；不同的声子模式产生的影响不尽相同，频率可能增强也可能降低。如附图6所示Cr₂Ge₂Te₆材料的声子模和施加的应力的线性拟合关系，横坐标表示压强，纵坐标表示声子能量，对于Cr₂Ge₂Te₆施加各向同性应力，会导致相对体积改变，并且随应力的增加，对应的声子模式会增强；又比如，对于二维层状的GeP₅材料施加压缩应力时，由于其面内键发生扩展，从而会导致了对应的声子模式发生软化(soften)，频率反而降低。这样，基于不同材料声子模受应力的影响，结合声子模的发射机制，可实现不同的应力对太赫兹辐射的调控效果。

电场发生装置可直接采用电极对器件施加电场。通常外加合适的电场可以实现声子振动频率的改变。比如，对二维材料MoS₂，通过施加电场后，不同方向的声子模式振动频率会发生频移，如其中的A_1g和E_2g声子模，在外加面内方向的电场作用下会发生一定程度的红移。并且在电场作用下，其声子模的强度也会产生一定程度的增强。具体对于不同种类的发射材料及声子模式，电场影响效果各异。

产生磁场的磁场发生装置可以为牛津磁体，也可通过其他载流线圈实现。通过对二维材料层21施加磁场改变其自旋序，再通过自旋声子耦合作用，对声子模式进行调节和控制，从而实现对发射的调节和控制。对于二维材料Cr₂Ge₂Te₆，在铁磁相变温度下磁序产生和外加磁场对应的自旋声子相互作用(一般为当温度低于相变温度时，磁性材料发生磁性相变，即产生磁序，这类磁序可以与材料中的声子相互作用，从而影响声子的频率、强度等特征)，均可使其声子频率产生一定的增强，从而实现发射频率的调控。并且，对Cr₂Ge₂Te₆施加面内磁场(面内磁场指的是沿着二维材料层表面方向施加磁场)，会导致太赫兹辐射强度发生衰减。

所述的单色太赫兹辐射发生器2产生的单色太赫兹辐射由低能量宽带太赫兹脉冲产生装置1发射的的宽带太赫兹脉冲和二维材料层21中太赫兹频段的低频声子提供。具体地，如附图1中所示，在温度控制装置控制的低温下，由于热扰动的减弱，二维材料层21中对应单色太赫兹辐射的低频声子(ωTHz)变得显性，从而可以有效地与外部的低能量的宽带太赫兹脉冲实现高效的相互作用。由于该二维材料层21的低频声子为非中心对称的偶极活性声子，该声子对应的振荡作用下，可以在材料中产生极化电场。该极化场可以与入射的横向宽带太赫兹脉冲中的同频部分发生混合和耦合，实现共振增强，例如附图7所示，横坐标表示入射宽带太赫兹脉冲振幅，纵坐标表示单色太赫兹辐射振幅，基于Cr₂Ge₂Te₆，声子模对应或者产生的极化电场的方向与入射的宽带太赫兹脉冲的电场分量方向一致并且频率接近时，发生较强的耦合。最终透过单色太赫兹辐射发生器2在出射端实现高效的单色太赫兹辐射。

为实现高效的单色太赫兹辐射，该太赫兹发生器中采用低能量宽带太赫兹脉冲产生装置1(如基于砷化镓光电导天线的宽带太赫兹脉冲)对二维材料层21进行激发。该天线对应的太赫兹辐射带宽应该覆盖目标单色太赫兹波发射频段和二维材料层21中产生该辐射机制的低频声子频率。

所产生的单色太赫兹辐射具有良好的方向性和偏振特性。入射低能量的宽带太赫兹脉冲与二维材料层21的低频声子波矢方向相互平行时，可以实现最大的耦合作用和对应的辐射强度；并且，最终的单色太赫兹辐射的偏振方向与入射宽带太赫兹脉冲的方向平行。为改变单色太赫兹辐射的偏振方向，需调整入射宽带太赫兹脉冲的偏振方向。

所产生的单色太赫兹辐射具有良好的各向异性电场和磁场调控特点。根据不同的二维材料层21晶体中电声耦合和自旋晶格耦合作用的强各向异性，可通过控制外部电场、磁场和应力的方向，实现单色太赫兹辐射强度各向异性的调控效果。

需要说明的是，基于所述的二维材料层21的单色太赫兹发射器结构和机制，可将二维材料层21集成到不同的高透射基底上。并且利用半导体微纳电子加工工艺进行处理，与其他功能电路集成，获得多功能太赫兹发射集成器件。

作为一实施例，根据附图1至2所示，具体测试结果以Cr₂Ge₂Te₆晶体薄片单级结构器件为准：

首先对现有的太赫兹辐射发生进行说明：对半导体光电导天线和基于逆自旋霍尔效应的无磁/铁磁异质结构机制来说，需要利用高功率及高光子能量的宽带太赫兹脉冲对太赫兹辐射发射器件进行激发，在太赫兹辐射发射器件中产生大量的具有较高能量的准自由载流子，利用载流子的迁移率差异或者自旋输运性质差异在材料中产生瞬态电流和电压，通过这种瞬态行为的振荡实现单色太赫兹辐射。因此对于这类机制来说，由于需要高能量脉冲光激发，因而天然地具有较低的转换效率；并且在该过程中具有较强烈的散射及能量色散，对应地，其发射带宽一般都比较宽，很难获得带宽较窄的太赫兹辐射。此外，对于光整流电光晶体发射机制来说，由于利用的是激发脉冲中各频率成分之间的差频效应，从而也对应于较宽带宽的太赫兹辐射；并且，该发射机制基于非线性光整流效应，这类机制也天然地对应于较低的能量转换效率。

而本发明涉及的发射机制，对应较高的能量转换效率，如基于Cr₂Ge₂Te₆二维材料的单色太赫兹辐射器，充分利用了该材料具备的优良特性。首先，该材料具有极高的本征载流子浓度(10²¹cm^-3量级)。这类载流子一般具有远低于热载流子的能量，因此其散射效应有限；其次，该材料作为一种范德瓦尔斯型二维材料，其中的层间纵向声子对应的频率刚好在太赫兹频段，并且该声子对应于非中心反演的偶极活性的振荡，从而可以在该声子纵向振荡作用下，在面内产生横向的极化电场；该极化电场不仅可以与入射的宽带太赫兹激发脉冲中的同频部分发生耦合增强，并且可以驱动Cr₂Ge₂Te₆中的本征载流子产生高强度的局域振荡。从而，最终在出射端发射出声子频率的单色太赫兹波。再次，由于该范德瓦尔斯二维材料具有较低的层间解离能，在微型化和集成化方面具有较低的技术和成本要求。因此，该发射器在集成化方面具有巨大的潜力。

最后，基于上述发明所涉及的发射机制，该发射器件具有应力、电场和磁场多个调控自由度。可以通过改变器件工作应力、电场和磁场，实现对发射频率和发射强度的有效调控。

作为一实施例，Cr₂Ge₂Te₆材料通过该太赫兹发生器进行试验，得到如图3至5所示的曲线图，如图3所示，横坐标表示延迟时间，纵坐标表示振幅，1为入射的宽带太赫兹脉冲时域信号；2为出射的单色太赫兹辐射时域信号；3为时域信号中单色太赫兹辐射部分，从图3可以发现，当宽带太赫兹脉冲透过二维材料层21后，除了透射的脉冲本身外，还附加了额外(黑色方框3中)电磁振荡，该电磁振荡为激发的产物，最终得到单色太赫兹辐射。

如图4所示，横坐标表示频率，纵坐标表示强度，1为入射的宽带太赫兹脉冲频域信号；2为出射的单色太赫兹辐射的频域信号，图4对比了入射的宽带太赫兹脉冲和单色太赫兹辐射振荡部分的频谱，可以得到该单色太赫兹辐射的频率对应于0.9THz，刚好为Cr₂Ge₂Te₆材料中的二维极化声子模频率。

如图5所示，太赫兹单色辐射发生器在平行于面内方向的外部磁场调控作用下，其对太赫兹辐射调制深度与磁场强度之间的依赖关系，其中横坐标表示磁场，纵坐标表示调制深度，根据曲线可知：通过外加磁场，可以实现太赫兹辐射强度的调控。

基于本发明的发射机制，还可以在实际应用中作诸多变通，以实现不同的功能。例如，利用不同二维材料特定的太赫兹吸收能力和本发明涉及的单色发射功能，可以实现增益型太赫兹发射和滤波器件；利用本发明所述的磁场对单色太赫兹辐射的调制作用，可以在不改变原低能量激发脉冲信号波形的基础上，仅对发射部分强度、频率、带宽进行调制。利用此调制特征，可实现一种通讯中可用的具有次级信息加载和编码功能的安全通信器件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于二维材料声子模的太赫兹发生器，其特征在于，包括低能量宽带太赫兹脉冲产生装置(1)、太赫兹单色辐射发生器(2)和用于控制太赫兹单色辐射发生器(2)所处温度的温度控制装置；

所述太赫兹单色辐射发生器(2)包括二维材料层(21)和高透射基底(22)，二维材料层(21)装载于高透射基底(22)上，低能量宽带太赫兹脉冲产生装置(1)发出的宽带太赫兹脉冲依次经过二维材料层(21)、高透射基底(22)输出单色太赫兹辐射。

2.根据权利要求1所述的基于二维材料声子模的太赫兹发生器，其特征在于，所述太赫兹发生器还包括用于调控太赫兹单色辐射发生器(2)发射频率的应力发生装置、用于调控太赫兹单色辐射发生器(2)发射带宽的电场发生装置和用于调控太赫兹单色辐射发生器(2)发射强度的磁场发生装置；

应力发生装置的应力场方向作用于二维材料层(21)的低频声子方向，电场发生装置的电场方向作用于二维材料层(21)的电声耦合方向，磁场发生装置的磁场方向作用于二维材料层(21)的自旋声子耦合方向。

3.根据权利要求1所述的基于二维材料声子模的太赫兹发生器，其特征在于，所述二维材料层(21)和高透射基底(22)连接形成单色辐射组件，多个单色辐射组件依次排布连接形成多级器件结构。

4.根据权利要求1所述的基于二维材料声子模的太赫兹发生器，其特征在于，二维材料为晶体薄层或者多级薄层堆叠器件结构，单个或多个二维材料层(21)装载于同一高透射基底(22)上。

5.根据权利要求1所述的基于二维材料声子模的太赫兹发生器，其特征在于，高透射基底(22)为太赫兹高透射柔性或刚性材料。

6.根据权利要求4所述的基于二维材料声子模的太赫兹发生器，其特征在于，所述的二维材料为以下材料之一或多种材料依次堆叠构成：Cr₂Ge₆Te₆、Cr₂Si₂Te₆、MoS₂、MoSe₂、WSe₂、WS₂、石墨烯、黑磷、氮化硼、FeSe、RuCl、α-MoO₃单一成分或掺杂体。

7.根据权利要求5所述的基于二维材料声子模的太赫兹发生器，其特征在于，所述的高透射基底(22)为以下材料之一或多种材料依次堆叠构成：PET、聚四氟乙烯、高阻硅、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化钒。

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