elemeket
absztrakt
A félfémek erősebb kölcsönhatást és jobb kötést kínálhatnak a teraherczes gyapjúhoz, mint a félvezetők, miközben a hangolhatóság megmarad. Különösen a grafénalapú anyagokat terahertz modulátorokként, szűrőként és ultraszéles sávú forrásokként mutatják be. A terahertz ezen anyagokból történő előállításának megértése azonban még mindig nem világos, korlátozza a potenciális felismerést és javítja a berendezések teljesítményét. A grafit, a grafén és a tipikus félfémek alapanyaga, jó rendszer a félfémek és a grafén alapú anyagok tanulmányozásához. Itt kísérletileg moduláljuk és maximalizáljuk a grafit felületéről érkező terahertz jelet, ezzel feltárva a mechanizmust - a felületi mező, amely a vivő által indukált fotonokat a tranziens áramba tereli, hogy terahertz hullámot bocsásson ki. Megbeszéljük a grafit és a félvezetők közötti különbségeket is; Különösen a grafit mutatja a szobahőmérséklet nagyon gyenge hőmérséklet-függését 80 ° C-ig. A fenti ismeretek segítenek megérteni a terahertz generációit, elérni a maximális teljesítményt és az elektromos modulációt a félfémes vagy grafén készülékekben.
A grafit, a grafén alapanyaga és a tipikus szemiméterek, példaértékű rendszer lehet a THz képződésének tanulmányozásához grafénnel kapcsolatos anyagokból vagy általában félmérőkből. Bizonyos értelemben a folyamat megértése a grafitban ugyanolyan fontos vagy fontosabb, mint a grafénnél, mert a grafitban a generációs mechanizmus nagyságrenddel erősebb, mint a grafénnél. Amikor a grafén egymásra rakható rétegeinek száma eléri a több tízet, úgy gondoljuk, hogy ez grafitként fog viselkedni a THz keletkezés szempontjából. A terahertzből származó grafit keletkezését először G. Ramakrishan et al. 2009-ben, és a 33 alapsíkra merőleges irányú tranziens fényáramnak tulajdonították. M. Irfan és mtsai. megállapítja, hogy két különböző típusú, ellentétes doppingolású grafitminta THz-jeleinek ellentétes 34. fázisa volt. A nemlineáris optikai egyenirányítás fenomenológiai leírását (második vagy harmadik rend) 33, 35 használjuk a kísérleti eredmények magyarázatára. Mivel azonban a hordozók átmenetivé válnak, és a mechanizmus részletei még mindig megválaszolatlanok.
Itt bemutatjuk a feszített előfeszített grafitból kibocsátott terahertz impulzusok modulációját és maximalizálását. Eredményünk egyértelműen bemutatja a THz grafitban való keletkezésének fizikai jellegét, egy olyan felületi mezőt, amely a hordozók által indukált fotonokat egy tranziens áramba tereli, hogy THz hullámokat bocsásson ki. Ab initio szimulációkat is végzünk, hogy ellenőrizzük a bemeneti mező grafitra gyakorolt hatását. A számítás eredménye alátámasztja a kísérletünk során megfigyelt kapuzási modulációt és telítettségi viselkedést. Kvantitatív módon azt is alátámasztja, hogy a THz amplitúdójának különbsége a pozitív és negatív kapufeszültség között az elektronok és a nyílások közötti tényleges tömegkülönbség eredménye, amelynek körülbelül 2, 3 tér aránya van, és nagyon gyenge a hőmérsékletfüggés. Mindezen két különbség a félfémes grafitban a félvezetőknél jóval nagyobb sűrűségű szabad tartás eredménye. Ez a munka nemcsak segít megérteni a THz generációk fizikáját ömlesztett félfémes vagy grafén alapú eszközökben, hanem bemutatja az elektromos moduláció és a jelmaximalizálás képességét a THz generációs félfémes készülékekben is.
az eredmény
Elektromodulált THz generációs beállítás
ÁBRA. Az 1a. Ábra egy grafitminta vázlatát (oldalnézete) és egy kísérleti beállítást mutat be. A grafitminta ZYA kiváló minőségű pirolitikus grafit (HOPG), amelynek mérete 12 x 12 x 2 mm3, a Structure Probe Inc. A THz-kibocsátás mérése előtt mechanikus hámozással friss, sík felületet készítettünk. A normál és a grafit felületén hangolható elektromos mező alkalmazásához ionos felső kaput hoztak létre. A Keithley 2400-at kapufeszültség-forrásként (Vg) használják, és figyeli a kapu áramát is. Az alumínium lemez támogatja és összeköti a grafit hátulját a kapu forrás negatív elektródjával. A réz ragasztófólia gyűrűje pozitív kapufeszültségű elektródként működik, offenzív ragasztószalag réteg választja el a grafittól, és 36 iongéllel kötődik a grafit felső felületéhez. Az eszköz kapott kapacitása körülbelül 1,3 μF. A réz ragasztófólia és a támadószalag középső furatai körülbelül 25 mm2 négyzet alakúak, hogy az iongélt és az optikai címzést a grafit felső felületére helyezzék.
( a ) beeső lézerfény (piros nyíl) gerjeszti a grafit felső felületét, és a THz sugárzást (kék nyíl) a visszaverődés irányába rögzítik. A felső kapu iongél módszer (Vg) a grafit felületének modulálására van beállítva. ( b ) Vázlat a grafit felületi mezőjéről és elektromos potenciáljáról különböző Vg esetén nagy pozitív Vg esetén és ( c ) nagy negatív Vg esetén .
Teljes méretű kép
Egy 800 nm-es középhullámhosszon működő, 80 MHz-es ismétlődési frekvenciával és 70 fs-os impulzusokkal működő lineáris polarizált femtoszekundumos lézert fókuszáltunk a grafit felületére. A beeső lézer teljesítménye körülbelül 400 mW, a beesési szög 60 °, a foltok átmérője pedig körülbelül 2 mm. A sugárzott THz impulzusokat a visszaverődés irányában ZnTe (110) elektro-optikai kristályokkal mértük, és a 800 nm-es lézer teljesítmény detektálása körülbelül 30 mW volt. A mért THz hullámformákat és azok csúcsainak és csúcsainak amplitúdóját a kapu feszültségének (Vg) függvényében mutatjuk be. 2. Az átalakított spektrumok adatait ábrázoljuk és egy kiegészítő információs fájlban írjuk le.
( a ) THz görbék és ( b ) csúcs-csúcs amplitúdók a kapu feszültségének (Vg) függvényében. Az alképen ( a ) a grafit THz görbe különböző színű görbéit ábrázolja a különböző Vg alatt (a megfelelő értékek a jobb oldalon láthatóak) a Vg down pásztázás során. Alszám alatt ( b ) a fekete négyzet adatpontjai a Vg-vizsgálattól felfelé; a piros kör alakú adatpontok a beolvasástól lefelé vannak.
Teljes méretű kép
Felületi mező moduláció
Szimulációs paraméterek és eredmények
0, 3. Ezzel szemben az első réteg alatti rétegeken a mező először lineárisan növekszik, az E külső mező 0,4 × 1010 V/m-ig terjed, majd gyorsan telítődik 0,02 × 10 10 V/m körül | E ext ≥ 0,5 × 1010 V/m. A pozitív mező alatt (a mezővektor elhagyja a grafitfelületet), bár az indukált mező a második rétegben még mindig növekszik, a második réteg alatti rétegekben a helyi mező kissé csökken a külső mező növekedésével, miután E ext ≥ 0,5 × 10 10 V/m.
a ) Számított elektromos tér a grafit felület alatt és a felületen (kép beszúrása) a külső elektromos mező függvényében. A számítás ab initio szimulációból származik 10 réteg grafitatomra. ( b ) Számított elektrondiszperziós görbe (felső panel) és a gráf effektív tömege (alsó panel) Z irányban (az alapsíktól normális).
Teljes méretű kép
A számított szalagszerkezet a KH irányában (Z irány, merőleges az alapsíkra) a 3. ábrán látható. 3b. Megállapítottuk, hogy a Fermi szint körüli lapos sáv mellett két másik diszpergált elektronikus sáv is létezik, amelyek
1, 4 eV a K pontban, és Fermi szinten kapcsolódnak egymáshoz a H. pontban. Ez a két sáv a grafit rétegek pz pályája közötti rétegek közötti kölcsönhatásból ered, amelyek érzékenyek a grafit rétegek közötti távolságára. Megállapítottuk, hogy mindkét sáv görbülete drámai módon változik, mert az elektronpotenciál eltér a Fermi-szinttől. Így az elektronok/furatok effektív tömegét mindkét sáv görbületéből kiszámítjuk az egyenlet segítségével
Hőmérsékletfüggés
Balról jobbra ezek a görbék a THz-hullámok által különböző hőmérsékleteken (különböző színben ábrázolt) kibocsátott grafitfelület V g = 0 V, V g = −3 V, V g = 3 V, ill. A görbék színei a mintahőmérsékleteket mutatják, amelyek a jobb oldalon láthatók.
Teljes méretű kép
vita
ahol E a felületi mező és m * a kvázi részecske effektív tömege. Indokolt feltételezni, hogy a grafit THz amplitúdója ugyanazt a szabályt elégíti ki, és arányos
Végül elvégezzük a felszíni tér modulációját és a grafitból kibocsátott THz jel hőmérsékletváltozását. Eredményünk egyértelműen bizonyítja a THz keletkezésének mechanizmusát, a felületi mező a fotovivőket átmeneti áramba vezeti, amely THz hullámot bocsát ki. Ab initio számításokat is végzünk a mező és az elektron diszperziós görbe szűrésének hatására a grafit Z irányában. Az elméleti eredmény erősen alátámasztja fizikai képünket, és azt mutatja, hogy a külső mezőt 2-3 atommag grafitrétegre szűrjük át. A pozitív és negatív kapufeszültség THz telítési amplitúdóinak aránya 2, 3, mivel az elektronok effektív tömege hozzávetőlegesen 2,3-szorosa a lyukak effektív tömegének a Z-irányú (az alapsíkhoz képest) a kapu tényleges tömegétől. grafit. A félvezető mechanizmus hasonlóságai ellenére a grafitnak gyorsabb az amplitúdó-telítettsége, és nem érzékeny a hőmérsékletre a szobahőmérsékleten 80 ° C-ig.
További részletek
Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Ti, T. és mtsai. A terahertz előállításának mechanizmusa és modulálása szemimetrikus grafitból. Sci. ismétlés. 6., 22798; doi: 10.1038/srep22798 (2016).
További információ
Word dokumentumok
További információ
Hozzászólások
Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.