[发明专利]基于嵌入金属纳米结构的全介质超表面太赫兹光电导天线

说明书

本发明提供了一种基于嵌入金属纳米结构的全介质超表面太赫兹光电导天线，解决现有技术中太赫兹光电导天线产生太赫兹波的辐射功率和转换效率较低的问题。其包括半导体基底、全介质减反超表面阵列、金属纳米结构阵列以及金属正极和金属负极；全介质减反超表面阵列、金属正极和金属负极均设置在所述半导体基底的上表面，且全介质减反超表面阵列位于金属正极和金属负极之间；金属纳米结构阵列设置在半导体基底内部，且与半导体基底上表面之间存在距离。

技术领域

本发明属于太赫兹光电导天线，具体涉及一种基于嵌入金属纳米结构的全介质超表面太赫兹光电导天线。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波是频率介于微波和红外波段之间的电磁辐射，通常定义为频率在100GHz-10THz的电磁波^[1]。

太赫兹波所处的独特频谱位置使其具有宽带性、透射性及低能性等优点，在宽带通信、医学成像、无损检测及安检等领域有着重要的应用价值^[2]。

太赫兹光电导天线(THz-PCA)作为一种重要的人工太赫兹源，能够发射宽频带的太赫兹辐射(可覆盖整个太赫兹频段)，由其构成的太赫兹时域光谱技术在生物分子和材料分析等方面有着重要的应用。

光电导天线通常是由工作在太赫兹频段的金属天线和作为基底的半导体材料组成，当飞秒激光脉冲入射至半导体基底时，会使基底材料中的电子从价带跃迁到导带形成光生载流子，在偏置电场作用下,光生载流子加速运动形成超快光电流，从而向外辐射太赫兹波。产生的超快光电流是一个在时域上具有亚皮秒量级的窄带脉冲，即对应着频带较宽的太赫兹波^[3]。虽然太赫兹光电导天线具有低成本、体积小及室温工作等优点，但传统太赫兹光电导天线仍面临输出功率较低的限制。

近年来，随着微纳技术的发展，基于表面金属纳米结构的太赫兹光电导天线成为一个重要的研究方向。由于表面等离子体共振的作用，金属纳米结构可以显著地增强基底对入射飞秒激光的吸收并减少载流子传输距离从而极大地提升了太赫兹光电导天线的辐射功率和转换效率^[4-5]。然而，使用金属纳米结构的同时也不可避免的引入两个主要问题：1)较大的欧姆损耗使太赫兹光电导天线的转换效率受到限制并降低了器件的损伤阈值；2)由于金属良好的导电性，将会延长光电导天线的“开关”过程(即电流产生到消失的超快过程)，从而降低其产生太赫兹辐射的频率范围。这两个主要问题极大地限制了太赫兹光电导天线辐射功率和转换效率的进一步提升。为解决引入金属纳米结构的缺陷，近年来，基于全介质材料的太赫兹光电导天线备受关注^[6-8]，但其局域场增强作用远远弱于金属纳米结构^[9]，使得太赫兹光电导天线产生的辐射功率仍难以满足实际应用的需求。

因此，亟需设计一种太赫兹光电导天线，以提高光电导天线产生太赫兹波的辐射功率和转换效率。

参考文件如下：

[1]Y.S.Lee.“Principle of terahertz science and technology”,New York:Springer ScienceBusiness Media,2009.

[2]D.M.Mittleman.“Perspective:Terahertz science and technology”,Journal of Applied Physics,Vol.122(23):230901(2017).

[3]N.T.Yardimci,M.Jarrahi.“Nanostructure-Enhanced PhotoconductiveTerahertz Emission and Detection”,Small,Vol.14:1802437(2018).