[发明专利]太赫兹频率范围天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹(THZ)频率范围天线。更特别的，涉及一种基于半导体材料的可调谐的太赫兹频率范围天线。

背景技术

在本申请的文本中，术语太赫兹频率范围指的是在0.1至30THz之间的电磁频率范围。这个频率范围对应于在10至3000μm之间的波长范围或者0.4至120meV的能量范围。太赫兹频率范围从而位于红外辐射和微波辐射之间的中间。太赫兹频率提供了关于例如感测技术，成像技术，通信技术以及光谱学的非常重要的科学和技术应用。例如，太赫兹时间解析光谱的最近进展已经允许在具有皮秒分辨率的新型有机或无机电子材料中导电过程的研究。

包含的低能量激发的范围允许大量材料的无损检测。另外，由于太赫兹频率范围内的电磁波长能够激发凝相介质的低频率振动模式以及分子中振动和转动跃迁，因此通常，特定的相互作用发生使得太赫兹频率吸收光谱在测试中提供分子的指纹。

由于电磁太赫兹辐射的这些特征，因此例如它可以有利地用于进行化学和生物分子和制剂的光谱分析，这些分子和制剂包括太低的共振频率而不能采用其他已知的手段如为红外光谱分析来检测。已经有报道，太赫兹频率范围光谱分析提供关于药物应用和关于安全应用一些令人感兴趣的方面，例如爆炸检测等。

然而，尽管存在可以有利地采用电磁太赫兹频率范围的许多令人感兴趣的应用，但是到目前为止仅有很少的采用了太赫兹频率的方法和装置已经实现。部分地，这起因于在太赫兹频率下感测造成在之前必须处理的新问题，例如，太赫兹光谱器件可以以方便且紧凑的方式来实现。在太赫兹光谱分析的环境中发生的一个问题是已知的台式太赫兹源提供相对低的功率。这导致已知器件中的受限的灵敏度。从而，为了对于新的应用采用太赫兹频率范围提供的这些有前景的特征，器件必须被研发为提供关于这些频率的更高的检测灵敏度和选择性。

关于电磁频率光谱的其他频率范围内的应用，特别是对于光学频率范围，采用等离子体共振的天线已经研发出来。例如，已经示出适当的等离子体共振结构可以由金属结构产生。已经进行了研究，其中这种类型的天线已经示出了与入射场(incoming field)的增强相互作用以及其中已经论证了这种天线对于在光学频率范围内感测目的的理论适用性。关于10μm处的波长，已经论证了使用金属纳米柱的感测，该柱的等离子体共振可以耦合到被检测材料的振动共振。然而，在太赫兹频率处，金属具有大的介电常数值(在实部和虚部中都是)，从而，已知的原理并不适用于提供太赫兹频率范围天线。

发明内容

本发明的目的是提供一种太赫兹频率范围天线，具有该天线的电子系统，以及用于区分太赫兹信号和背景噪声、能够提供高灵敏度和高选择性的系统。另外，该器件关于它们的工作频率是可调谐的。

该目的是通过权利要求1的太赫兹频率范围天线来解决的。太赫兹频率范围天线包括半导体膜，其具有适于显示太赫兹频率范围内的表面等离子体的表面。半导体膜的表面被构造为形成天线结构，其被设置为支持太赫兹频率范围内的局部表面等离子体共振。由于太赫兹频率范围天线包括半导体膜，材料中的载流子浓度和/或载流子迁移率可以容易地改变，例如通过改变温度、施加的电压、光学激励等。以这种方式，表面等离子体(surface plasmons)的共振频率可方便地进行调节/调谐。等离子体共振强烈依赖于天线的介电常数及其介电环境。另外，天线结构可以使用本领域的半导体处理工艺如光刻和干刻和/或湿刻来方便地在半导体膜的表面上或表面中结构化。另外，存在适当的半导体材料，在太赫兹频率处具有相应于金属在光学频率处的介电常数值的介电常数值。已经发现，由在太赫兹频率范围内具有等离子体共振的半导体材料制造的太赫兹频率范围天线可以提供增强的检测灵敏度。通过天线结构的适当设计，局部表面等离子体共振的电场可局部增强，这在传感器应用中引起太赫兹辐射和感测目标之间的相互作用的增强。因此，期望改进的灵敏度。另外，利用这样的太赫兹频率范围天线，可以对场增强进行调整以及改变共振。

优选地，天线结构包括至少两个元件，其构造在半导体膜的表面中或表面内，并且在平行于半导体膜表面的方向上彼此间隔一个间隙。已经显示出由于在太赫兹范围内的等离子体共振，因此这种结构能够产生几个数量级的局部电场增强。另外，电场所实现的增强依赖于天线结构的形状和间隙尺寸。从而，电场增强可以方便地通过改变这些参数进行调谐。该间隙应当沿着表面等离子体的激发方向进行设置。

优选的，间隙具有的宽度在10nm和10μm之间，优选在50nm和200nm之间的范围内。已经发现，这样的间隙宽度提供适当的电场增强。