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美国科研人员开发出了首个集成太赫兹(THz)固态收发器,新设备比目前使用的太赫兹波设备更小,功能更强大。相关研究成果发表在最新一期的《自然·光子学》杂志上。 太赫兹技术是近年来十分热门的一个研究领域,2004年被评为影响世界未来的十大科技之一。美国能源部桑迪亚国家实验室的研究人员将同一块芯片上的探测器和激光器结合在一起,制造出了该接收设备。在实验中,研究人员将一个小的肖特基二极管嵌入一个量子级联激光器(QCL)的脊峰波导空腔中,让能量能够从量子级联激光器内部的磁场直接到达二极管的阴极,而不需要光耦合通路。这样,研究人员就不需要再为制造这些收发器等设备所需要的光学“零件”如何定位而“抓耳挠腮”了。 新的固态系统利用了太赫兹波发出的频率。太赫兹波是指频率在0.1THz—10THz范围的电磁波,介于微波与红外之间,它能够穿透非金属材料,从而为安检、医学成像提供新的手段,在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景。 量子级联激光器是产生太赫兹辐射的重要器件之一,科学家于2002年演示了半导体太赫兹量子级联激光器。太赫兹量子级联激光器的一个优势在于其能够同其他组件一起被整合在同一个芯片上。然而,此前要想装配出灵敏的相干收发器系统,研究人员需要将零散的、并且常常是巨大的组件组合到一起。而现在,研究人员只是将太赫兹量子级联激光器和二极管混频器整合在一个芯片上,就可以组成一个简单实用的微电子太赫兹收发器。 研究人员也证明,新的太赫兹集成设备能够执行以前组件零散的太赫兹系统的所有基本功能,例如传输相干载波、接受外部信号、锁频等。
中国科技网讯 据物理学家组织网6月4日报道,美国马里兰大学纳米物理和先进材料中心的研究人员开发出一种新型热电子辐射热测量计,这种红外光敏探测器能广泛应用于生化武器的远距离探测、机场安检扫描仪等安全成像技术领域,并促进对于宇宙结构的研究等。相关研究报告发表在6月3日出版的《自然·纳米技术》杂志上。 科学家利用双层石墨烯研发了这款辐射热测量计。石墨烯具有完全零能耗的带隙,因此其能吸收任何能量形式的光子,特别是能量极低的光子,如太赫兹或红外及亚毫米波等。所谓光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播,即这种结构本身存在“禁带”。光子带隙结构能使某些波段的电磁波完全不能在其中传播,于是在频谱上形成带隙。 而石墨烯的另一特性也使其十分适合作为光子吸收器:吸收能量的电子仍能保持自身的高效,不会因为材料原子的振动而损失能量。同时,这一特性还使得石墨烯具有极低的电阻。研究人员正是基于石墨烯的这两种特性设计出了热电子辐射热测量计,它能通过测量电阻的变化而工作,这种变化是由电子吸光之后自身变热所致。 通常来说,石墨烯的电阻几乎不受温度的影响,并不适用于辐射热测量计。因此研究人员采用了一种特别的技巧:当双层石墨烯暴露于电场时,其具有一个大小适中的带隙,既可将电阻和温度联系起来,又可保持其吸收低能量红外光子的能力。 研究人员发现,在5开氏度的情况下,新型辐射热测量计可达到与现有辐射热测量计同等的灵敏度,但速度可增快1000多倍。他们推测其可在更低的温度下,超越目前所有的探测技术。 新装置作为快速、敏感、低噪声的亚毫米波探测器尤具前景。亚毫米波的光子由相对凉爽的星际分子所发出,因此很难被探测到。通过观察这些星际分子云,天文学家能够研究恒星和星系形成的早期阶段。而敏感的亚毫米波探测器能帮助构建新的天文台,确定十分遥远的年轻星系的红移和质量,从而推进有关暗能量和宇宙结构发展的研究。 虽然一些挑战仍然存在,比如双层石墨烯只能吸收很少部分的入射光,这使得新型辐射热测量计要比使用其他材料的类似设备具备更高的电阻,因而很难在高频下正常工作,但研究人员称,他们正在努力改进自身的设计以克服上述困难,其亦对石墨烯作为光电探测材料的光明前景抱有极大信心。(张巍巍) 《科技日报》(2012-06-06 二版)
原子级上电流的超快控制对纳米电子未来的创新至关重要。之前相关研究表明,将皮秒级太赫兹脉冲耦合到金属纳米结构可以实现纳米尺度上极度局部的瞬态电场。 近期,加拿大阿尔伯塔大学(University of Alberta)Frank A. Hegmann教授研究组在美国RHK Technology公司生产的商用超高真空扫描隧道显微镜(RHK-UHV-SPM 3000)系统上自主研发了太赫兹-扫描隧道显微镜(THz-STM),首次在超高真空中对Si(111)-(7×7)样品表面执行原子分辨率THz-STM测量,展示了超高真空中的THz-STM探索原子精度的超快非平衡隧道动力学的超强能力。[align=center][img=,500,264]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311403502131_145_981_3.jpg!w500x264.jpg[/img][/align][align=center]图1:利用THz-STM在超高真空中控制极端隧道电流[/align] 在图1(a)中可以看到,超快太赫兹(THz)脉冲通过反向视窗上的透镜(左侧)聚焦到超高真空(中间)的STM探针上,在隧道结(插图)处产生隧道电流。图1(c)中展示了耦合到STM针尖的太赫兹脉冲引发随时间变化的偏压(VTHz(t),红色实线),驱动超快太赫兹感应电流(ITHz(t),蓝色实线),从而产生整流的平均隧道电流。太赫兹脉冲极性(0°, 90°, 180°)可用于控制太赫兹脉冲引起的整流隧道电流,如图1(e)所示。电子从样品向尖端流动,产生负的太赫兹极性,从尖端到样品具有正的太赫兹极性。[align=center][img=,500,358]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311405019168_3214_981_3.jpg!w500x358.jpg[/img][/align][align=center]图2:Si(111)- (7×7)上的单个原子非平衡隧穿的超快控制[/align] 极限太赫兹脉冲驱动的隧道电流高达常规STM中稳态电流的107倍,实现了以0.3nm的空间分辨率对硅表面上的单个原子成像,由此确定在高电流水平下的超快太赫兹脉冲驱动隧道确实可以局域化为单一原子。此外,测试结果表明解释Si(111)-(7×7)上的太赫兹驱动的STM(TD-STM)图像的原子波纹(其中数百个电子在亚皮秒时间尺度内隧穿),需要理解非平衡充电动力学由硅表面的太赫兹脉冲引起。同时,单个原子的太赫兹驱动隧道电流的方向可以通过太赫兹脉冲电场的极性来控制。在太赫兹频率下,类金属Si(111)-(7×7)表面不能从体电子屏蔽电场,导致太赫兹隧道电导与稳态隧道电导基本机制的不同。很显然,这样一个极端的瞬态电流密度并不会影响所研究的单原子STM针尖或样品表面原子,如同在传统STM测试中具有如此大小隧道电流的Si(111)-(7×7)一样。[align=center][img=,500,214]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311405376531_6859_981_3.jpg!w500x214.jpg[/img][/align][align=center]图3:太赫兹感应电流中的热电子[/align] 在高太赫兹场中观察到了来自热电子的隧道电流的额外贡献。超快太赫兹诱导的带状弯曲和表面状态的非平衡充电打开了新的传导通路,使极端瞬态隧道电流在尖端和样品之间流动。半导体表面的THz-STM为原子尺度上的超快隧穿动力学提供了新的见解,这对于开发新型硅纳米电子学和以太赫兹频率工作的原子级器件至关重要。[b]参考文献:[/b]1. Tyler L. Cocker, Frank A. Hegmann et al. An ultrafast terahertz scanning tunneling microscope. Nature Photonics, 151(2013).2. Vedran Jelic, Frank A. Hegmann et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nature Physics, 4047(2017).