елементи
абстрактно
Полуметалите могат да предложат по-силно взаимодействие и по-добро свързване с терагерцова вълна от полупроводниците, като същевременно запазват настройваемостта. По-специално материалите на основата на графен се представят като терагерцови модулатори, филтри и ултрашироколентови източници. Разбирането за генериране на терагерци от тези материали обаче все още е неясно, което ограничава потенциалното разпознаване и подобрява производителността на оборудването. Графитът, изходният материал на графена и типичните полуметали, е добра система за изследване на полуметали и материали на основата на графен. Тук експериментално модулираме и максимизираме терагерцовия сигнал от графитната повърхност, като по този начин разкриваме механизма - повърхностното поле, задвижващо фотоните, индуцирани от носителя в преходния ток, за да излъчи терагерцова вълна. Също така обсъждаме разликите между графит и полупроводници; особено графитът показва много слаба температурна зависимост на стайната температура до 80 ° C. Горните познания ще ни помогнат да разберем поколения терагерци, да постигнем максимална производителност и електрическа модулация в полуметални или графенови устройства.
Графитът, основният материал на графена и типичните полуметалли, може да бъде примерна система за изследване на образуването на THz от материали, свързани с графен, или полуметаллата като цяло. В известен смисъл разбирането на процеса в графита е също толкова важно или по-важно, отколкото в графена, тъй като механизмът за генериране в графита е с порядък по-силен, отколкото в графена. Когато броят на слоевете за подреждане на графен достигне няколко десетки, ние вярваме, че той ще се държи като графит по отношение на генерирането на THz. Генерирането на графит от терагерци е наблюдавано за пръв път от G. Ramakrishan et al. през 2009 г. и беше приписан на преходен фототок в посока, перпендикулярна на базалната равнина 33. М. Irfan и сътр. заявява, че THz сигналите от два различни типа графитни проби с противоположно легиране имат противоположна фаза 34. За обяснение на експерименталните резултати се използва феноменологично описание на нелинейното оптично коригиране (втори или трети ред) 33, 35. Тъй като обаче носителите стават преходни и детайлите на механизма все още не получават отговор.
Тук представяме модулацията и максимизирането на терагерцовите импулси, излъчвани от напрегнат предварително напрегнат графит. Нашият резултат ясно демонстрира физическата природа на генерацията на THz в графит, повърхностно поле, задвижващо фотони, индуцирани от носители в преходен ток за излъчване на THz вълни. Извършваме и симулации ab initio, за да проверим ефекта на входящото поле върху графита. Резултатът от изчислението подкрепя модулирането и поведението на насищане, наблюдавани от нашия експеримент. Той също така количествено подкрепя, че разликата в амплитудата на амплитудата на THz между положителното и отрицателното напрежение на затвора е резултат от ефективна разлика в масата между електрони и отвори, имаща съотношение приблизително 2, 3. поле и много слаба температурна зависимост. Всички тези две разлики са резултат от много по-висока плътност на свободна подложка в графит, полуметален, отколкото полупроводниците. Тази работа не само ни помага да разберем физиката на THz поколения в насипни полуметални или базирани на графен устройства, но също така демонстрира способността на електрическа модулация и максимизиране на сигнала в полуметални устройства от THz поколение.
резултатът
Електрически модулирана настройка за генериране на THz
Фиг. 1а показва скица (страничен изглед) на графитна проба и експериментална настройка. Графитната проба е висококачествен пиролитичен графит ZYA (HOPG) с размери 12 x 12 x 2 mm3 от Structure Probe Inc. Преди измерване на емисиите на THz се приготвя прясна равна повърхност чрез механичен пилинг. Йонна горна врата е създадена за прилагане на регулируемо електрическо поле от нормала и върху повърхността на графита. Keithley 2400 се използва като източник на напрежение на порта (Vg) и също така наблюдава тока на портата. Алуминиевият лист поддържа и свързва задната част на графита към отрицателния електрод на източника на портата. Пръстенът от медно лепилно фолио действа като електрод с положително напрежение на затвора, отделен е от слой обидна самозалепваща лента от графита и е присъединен с йонен гел 36 към горната повърхност на графита. Полученият капацитет на устройството е около 1,3 μF. Централните отвори на медното лепилно фолио и нападателната лента са в квадрати от около 25 mm2, за да поставят йонния гел и оптичното адресиране върху горната повърхност на графита.
( а ) падаща лазерна светлина (червена стрелка) възбужда горната повърхност на графита и THz лъчението (синя стрелка) се улавя по посока на отражението. Методът с йонен гел на горната порта (Vg) е настроен да модулира повърхностното поле на графита. ( б ) Скица на повърхностното поле и електрическите потенциали на графита при различни Vg за голям положителен Vg и ( ° С ) за голям отрицателен Vg .
Изображение в пълен размер
Линейно поляризиран фемтосекунден лазер, работещ при 800 nm дължина на вълната в центъра с честота на повторение 80 MHz и продължителност от 70 fs импулси беше фокусиран върху графитната повърхност. Мощността на падащия лазер е около 400 mW, ъгълът на падане е 60 °, а диаметърът на петната е около 2 mm. Излъчените THz импулси в посока на отражение бяха измерени с електрооптичен кристал ZnTe (110) и откриването на 800 nm лазерна мощност беше около 30 mW. Измерените THz форми на вълните и техните амплитуди между пикове и пикове като функция на напрежението на затвора (Vg) са показани на ФИГ. 2. Данните от преобразуваните спектри са нанесени и описани в допълнителен информационен файл.
( а ) THz криви и ( б ) пикови до пикови амплитуди като функция от напрежението на портата (Vg). В подкартината ( а ) представляват кривите на различни цветове на графитната THz крива при различни Vg (съответстващи стойности, показани вдясно) по време на Vg сканиране надолу. В подзаглавието ( б ) са точките с данни на черния квадрат от Vg сканирането нагоре; червените кръгли точки с данни са от сканирането надолу.
Изображение в пълен размер
Модулация на повърхностното поле
Параметри и резултати от симулацията
0, 3. Обратно, полето върху слоевете под първия слой първо се увеличава линейно с външното поле E ext до 0,4 × 1010 V/m, след което бързо се насища около 0,02 × 10 10 V/m за | E ext ≥ 0,5 × 1010 V/m. Под положителното поле (с вектор на полето, напускащ графитната повърхност), въпреки че индуцираното поле във втория слой все още нараства, локалното поле в слоевете под втория слой леко намалява с увеличаване на външното поле след E ext ≥ 0,5 × 10 10 V/m.
а ) Изчислено електрическо поле под повърхността на графита и на повърхността (вмъкване на изображение) като функция от външното електрическо поле. Изчислението е от ab initio симулация за 10 слоя графитни атоми. ( б ) Изчислена крива на електронна дисперсия (горен панел) и ефективна маса (долен панел) на графиката в посока Z (нормална към земната равнина).
Изображение в пълен размер
Изчислената структура на лентата по посока KH (посока Z, перпендикулярна на основната равнина) е показана на ФИГ. 3б. Установихме, че в допълнение към плоската лента около нивото на Ферми има още две разпръснати електронни ленти, които се разделят от
1, 4 eV в точка K и са свързани помежду си на нивото на Ферми в точка H. Тези две ленти произхождат от взаимодействието между слоевете между pz орбитите на графитните слоеве, които са чувствителни към междинното разстояние на графита. Установихме, че кривината на двете ленти се променя драстично, тъй като електронният потенциал се различава от нивото на Ферми. По този начин ефективната маса на електроните/дупките се изчислява от кривината на двете ленти, използвайки уравнението
Температурна зависимост
Отляво надясно тези криви са графитната повърхност, излъчвана от THz вълни при различни температури (нанесени като различни цветове) за V g = 0 V, V g = −3 V, V g = 3 V, респ. Цветовете на кривите представляват примерните температури, които са показани вдясно.
Изображение в пълен размер
дискусия
където E е повърхностното поле и m * е ефективната маса на квазичастицата. Разумно е да се приеме, че амплитудата на THz от графит отговаря на същото правило и е пропорционална
Накрая изпълняваме модулацията на повърхностното поле и температурната промяна на THz сигнала, излъчен от графит. Нашият резултат ясно доказва механизма на генериране на THz, повърхностното поле задвижва фотоносителите в преходен ток, който излъчва THz вълна. Извършваме също така in initio изчисления за ефекта от екранирането на полето и кривата на електронната дисперсия в Z посока на графита. Теоретичният резултат силно подкрепя физическия ни образ и показва, че външното поле е екранирано за 2-3 атомни слоя графит. Амплитудите на насищане THz на положителното и отрицателното напрежение на затвора имат съотношение 2, 3, тъй като ефективната маса на електроните е приблизително 2,3 пъти ефективното тегло на отворите в посока Z (нормално към земната равнина) на високата порта графит. Въпреки приликите в полупроводниковия механизъм, графитът има по-бързо амплитудно насищане и не е чувствителен към температура в стайния температурен диапазон до 80 ° C.
Повече информация
Как да цитирам тази статия: Ye, T. et al. Механизъм и модулация на генериране на терагерци от семиметричен графит. Sci. Представител. 6, 22798; doi: 10.1038/srep22798 (2016).
Допълнителна информация
Word документи
Допълнителна информация
Коментари
Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.