JP6457803B2 - 光伝導素子、テラヘルツ波発生装置、テラヘルツ波検出装置、テラヘルツ波発生方法およびテラヘルツ波検出方法 - Google Patents
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Description
より好ましくは、Sb2Te3薄膜の厚みは、1nm以上である。
トポロジカル絶縁体とは、その内部(バルク部分)は絶縁体であるが、表面(エッジ)において金属状態が生じる物質のことである。トポロジカル絶縁体の表面において、電子は、有効質量ゼロの相対論的粒子のように振る舞う「ディラック電子」となり、ディラックコーンと呼ばれるエネルギー状態を形成する。図1に、トポロジカル絶縁体の表面の電子のバンド構造を示す。図1から分かるように、トポロジカル絶縁体表面の電子のバンド構造には、バンドギャップが存在しない。このため、ディラックコーンをもつ物質は電気伝導性を示す。
本発明の光伝導素子は、テラヘルツ波の発生および検出の両方に用いることができる。図2は、本発明の光伝導素子によるテラヘルツ波発生の基本原理を説明した図である。図2に示されるように、光伝導素子1は、トポロジカル絶縁体薄膜11および電極12,13を有する。電極12,13は、アンテナ構造体ANTを構成する。
本発明では、アンチモン(Sb)およびビスマス(Bi)のうちの少なくとも1種と、セレン(Se)およびテルル(Te)のうちの少なくとも1種とを含むトポロジカル絶縁体薄膜11を用いる。したがって、このトポロジカル絶縁体薄膜11の組成は、Sb2xBi2(1-x)Se3yTe3(1-y)と表すことができる(0≦x≦1,0≦y≦1)。より具体的には、下記のいずれかの組成を有する結晶は、いずれもトポロジカル絶縁体となり得る。したがって、下記のいずれかの結晶の薄膜を、本発明の光伝導素子が有するトポロジカル絶縁体として適用することができる。
Sb2Te3 (x=1,y=0の場合)
Sb2Se3 (x=1,y=1の場合)
Bi2Se3 (x=0,y=1の場合)
Bi2Te3 (x=0,y=0の場合)
(2)3元結晶
Sb2xBi2(1-x)Te3 (0<x<1,y=0の場合)
Sb2xBi2(1-x)Se3 (0<x<1,y=1の場合)
Sb2Se3yTe3(1-y) (x=1,0<y<1の場合)
Bi2Se3yTe3(1-y) (x=0,0<y<1の場合)
(3)4元結晶
Sb2xBi2(1-x)Se3yTe3(1-y) (0<x<1,0<y<1の場合)
上記の結晶薄膜は、真空蒸着法、スパッタリング法など、MBEに比べて量産性に優れた方法によって作成することができる。このため本発明によれば、量産に適した光伝導素子を提供することができる。
j(α)=Csin2α+L1sin4α+L2cos4α+D
との式により表される曲線によってフィッティングすることができる。
図13は、本発明に係る光伝導素子によるテラヘルツ波の発生を検証するための光学系の概略的な構成を示した図である。図13を参照して、パルスレーザ光源120からフェムト秒パルス光90が発せられる。パルスレーザ光源120は、フェムト秒パルスレーザ光を発する光源であり、たとえばチタンサファイアレーザ、ファイバレーザ等を適用することができる。フェムト秒パルス光90の波長は、一例では800nmであるが、特に限定されない。
図19は、本発明に係る光伝導素子の種々の構造を示した概略断面図である。図19(A)には、本発明に係る光伝導素子の基本的構造が示されている。図19(A)において、光伝導素子1aは、基板10と、トポロジカル絶縁体薄膜11と、電極12,13(アンテナ構造体ANT)とを備える。電極12,13は、トポロジカル絶縁体薄膜11の表面に形成される。したがって、電極12,13は、トポロジカル絶縁体薄膜11の表面に沿って、互いに間隔を設けて対向配置される。
図24は、本発明に係る光伝導素子の1つの適用形態を示した図である。図24に示すように、システム200は、テラヘルツ波発生装置210と、テラヘルツ波検出装置220とを備える。テラヘルツ波発生装置210は、本発明の実施の形態に係る光伝導素子201Aと、光源211と、電源212とを有する。テラヘルツ波検出装置220は、本発明の実施の形態に係る光伝導素子201Bと、光源221と、信号処理部222とを有する。
Claims (8)
- テラヘルツ波を発生または検出するための光伝導素子であって、
交互に積層されたトポロジカル絶縁体層と通常絶縁体層とを含む積層構造体と、
前記積層構造体の面方向に沿って対向して配置された第1および第2の電極を含むアンテナ構造体とを備え、
前記トポロジカル絶縁体層は、アンチモン(Sb)およびビスマス(Bi)のうちの少なくとも1種と、セレン(Se)およびテルル(Te)のうちの少なくとも1種とを含み、
前記通常絶縁体層は、ゲルマニウム(Ge)と、セレン(Se)およびテルル(Te)のうちの少なくとも1種と、を含む、光伝導素子。 - 前記トポロジカル絶縁体層は、Sb2Te3の層であり、
前記通常絶縁体層は、GeTeの層である、請求項1に記載の光伝導素子。 - 前記トポロジカル絶縁体層の厚みは、1nm以上であり、
前記通常絶縁体層の厚みは、0.6nm以上である、請求項2に記載の光伝導素子。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の光伝導素子と、
前記光伝導素子に光励起キャリアを生じさせるためのパルスレーザ光を発するパルスレーザ光源と、
前記アンテナ構造体の前記第1および第2の電極間に電界を印加するための電源とを備える、テラヘルツ波発生装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の光伝導素子と、
前記光伝導素子に光励起キャリアを生じさせるためのパルスレーザー光を発するパルスレーザー光源と、
前記アンテナ構造体がテラヘルツ波を受けることにより前記第1および第2の電極間に生じる電流を検出するための検出部とを備える、テラヘルツ波検出装置。 - 前記光伝導素子は、撮像素子において行列状に配置され、
前記検出部は、前記撮像素子の信号から画像を生成するように構成される、請求項5に記載のテラヘルツ波検出装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の光伝導素子に、パルスレーザー光を入射するとともに、前記アンテナ構造体の前記第1および第2の電極間に電界を印加して、テラヘルツ波を発生させる、テラヘルツ波発生方法。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の光伝導素子に、パルスレーザー光を入射するとともに、前記アンテナ構造体がテラヘルツ波を受けることにより前記第1および第2の電極間に生じる電流を検出する、テラヘルツ波検出方法。
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