предметів
реферат
Напівметали можуть забезпечити більш сильну взаємодію та краще зв’язування з терагерцовою вовною, ніж напівпровідники, зберігаючи при цьому налаштованість. Зокрема, матеріали на основі графена представлені у вигляді терагерцових модуляторів, фільтрів та надширокосмугових джерел. Однак розуміння генерування терагерц з цих матеріалів досі незрозуміле, що обмежує потенційне розпізнавання та покращує продуктивність обладнання. Графіт, вихідний матеріал графена та типових напівметалів, є хорошою системою для вивчення напівметалів та матеріалів на основі графену. Тут ми експериментально модулюємо і максимізуємо терагерцовий сигнал з графітової поверхні, таким чином розкриваючи механізм - поверхневе поле, що рухає фотони, наведені носієм в перехідний струм, щоб випромінювати терагерцову хвилю. Ми також обговорюємо відмінності між графітом та напівпровідниками; особливо графіт демонструє дуже слабку температурну залежність кімнатної температури до 80 ° С. Вищезазнані знання допоможуть нам зрозуміти покоління терагерц, досягти максимальної продуктивності та електричної модуляції в напівметалевих або графенових пристроях.
Графіт, вихідний матеріал графену і типових напівметалів, може бути зразковою системою для вивчення утворення ТГц із пов'язаних з графеном матеріалів або напівметалів загалом. У певному сенсі розуміння процесу в графіті настільки ж важливе або важливіше, ніж у графені, оскільки механізм генерації в графіті на порядок сильніший, ніж у графені. Коли кількість шарів укладання графену досягає декількох десятків, ми вважаємо, що він буде поводитися як графіт з точки зору генерації ТГц. Вироблення графіту на терагерцах вперше спостерігали Г. Рамакришан та співавт. у 2009 р. і був віднесений до перехідного фотоструму в напрямку, перпендикулярному до базальної площини 33. М. Ірфан та співавт. стверджує, що сигнали ТГц від двох різних типів зразків графіту з протилежним легуванням мали протилежну фазу 34. Для пояснення експериментальних результатів використовується феноменологічний опис нелінійного оптичного випрямлення (другого або третього порядку) 33, 35. Однак, оскільки носії стають тимчасовими, а деталі механізму все ще залишаються без відповіді.
Тут ми представляємо модуляцію та максимізацію терагерцових імпульсів, випромінюваних напруженим попередньо напруженим графітом. Наш результат наочно демонструє фізичну природу генерації ТГц у графіті, поверхневому полі, що рухає фотони, наведені носіями в перехідний струм для випромінювання хвиль ТГц. Ми також проводимо моделювання ab initio, щоб перевірити вплив вхідного поля на графіт. Результат розрахунку підтверджує модуляцію та насиченість поведінки, що спостерігаються під час нашого експерименту. Він також кількісно підтверджує, що різниця в амплітуді амплітуди ТГц між позитивною і негативною напругою затвора є результатом ефективної різниці в масах між електронами та отворами, що має відношення приблизно 2, 3. У порівнянні з генерацією напівпровідників ТГц графіт демонструє відмінності: багато швидше насичення амплітуди для поля налаштування поверхні та дуже слабка температурна залежність. Всі ці дві відмінності є результатом набагато вищої щільності вільного носія в графіті, напівметалевому, ніж у напівпровідниках. Ця робота не тільки допомагає нам зрозуміти фізику поколінь ТГц в масових напівметалевих або на основі графена пристроях, але також демонструє здатність електричної модуляції та максимізації сигналу в напівметалевих пристроях покоління ТГц.
результат
Електромодульована установка генерації ТГц
Фіг. На фіг.1а показаний ескіз (вид збоку) зразка графіту та експериментальна установка. Зразок графіту - високоякісний піролітичний графіт ZYA (HOPG) розміром 12 х 12 х 2 мм3 від Structure Probe Inc. Перед вимірюванням викидів ТГц, механічним пілінгом готували свіжу рівну поверхню. Іонний верхній затвор був створений для накладання регульованого електричного поля нормалі і на поверхню графіту. Keithley 2400 використовується як джерело напруги на затворі (Vg), а також контролює струм затвора. Алюмінієвий лист підтримує і з'єднує задню частину графіту з негативним електродом джерела затвора. Кільце мідної клейкої фольги діє як позитивний електрод напруги затвора, відокремлений шаром образливої клейкої стрічки від графіту і приєднаний іонним гелем 36 до верхньої поверхні графіту. Отримана ємність пристрою становить близько 1,3 мкФ. Центральні отвори мідної клейкої фольги та наступальної стрічки мають квадрати близько 25 мм2, щоб розмістити іонний гель та оптичну адресацію на верхній графітовій поверхні.
( a ) падаюче лазерне світло (червона стрілка) збуджує верхню поверхню графіту і випромінювання ТГц (синя стрілка) захоплюється у напрямку відбиття. Метод іонного гелю верхнього затвора (Vg) встановлений для модуляції поверхневого поля графіту. ( b ) Ескіз поверхневого поля та електричного потенціалу графіту при різних Vg для великого додатного Vg та ( c ) для великого негативного Vg .
Повнорозмірне зображення
Лінійно поляризований фемтосекундний лазер, що працює при центральній довжині хвилі 800 нм з частотою повторення 80 МГц та тривалістю імпульсів 70 фс, був сфокусований на графітовій поверхні. Потужність падаючого лазера становила близько 400 мВт, кут падіння - 60 °, а діаметр плям - близько 2 мм. Випромінювані імпульси ТГц у напрямку відбиття вимірювали електрооптичним кристалом ZnTe (110), а детектування потужності лазера 800 нм становило близько 30 мВт. Виміряні форми хвиль ТГц та їх амплітуди між піками та піками як функція напруги затвора (Vg) показані на фіг. 2. Дані перетворених спектрів побудовані та описані у додатковому інформаційному файлі.
( a ) ТГц криві та ( b ) амплітуди від піку до піку як функція напруги затвора (Vg). На підмалюнку ( a ) представляють криві різних кольорів графітової кривої ТГц при різних Vg (відповідні значення, показані праворуч) під час сканування Vg вниз. У підзаголовку ( b ) - точки даних чорного квадрата від Vg сканування вгору; червоні кругові точки даних знаходяться від сканування вниз.
Повнорозмірне зображення
Модуляція поверхневого поля
Параметри моделювання та результати
0, 3. І навпаки, поле на шарах нижче першого шару спочатку лінійно збільшується із зовнішнім полем E ext до 0,4 × 1010 В/м, потім швидко насичується приблизно 0,02 × 10 10 В/м для | Вихід ≥ 0,5 × 1010 В/м. Нижче позитивного поля (при цьому вектор поля залишає графітову поверхню), хоча індуковане поле у другому шарі все ще зростає, локальне поле в шарах нижче другого шару дещо зменшується із збільшенням зовнішнього поля після E ext ≥ 0,5 × 10 10 В/м.
a ) Розраховане електричне поле під поверхнею графіту та на поверхні (вставити малюнок) як функція зовнішнього електричного поля. Розрахунок проведений за методом ab initio для 10 шарів атомів графіту. ( b ) Розрахована крива дисперсії електронів (верхня панель) та ефективна маса (нижня панель) графіка в напрямку Z (нормальна до площини землі).
Повнорозмірне зображення
Розрахована структура смуги вздовж напрямку KH (напрямок Z, перпендикулярний базовій площині) показана на фіг. 3b. Ми виявили, що на додаток до плоскої смуги навколо рівня Фермі є ще дві розсіяні електронні смуги, які розділяються
1, 4 еВ в точці K і зв’язуються між собою на рівні Фермі в точці H. Дві смуги походять від взаємодії між шарами між pz-орбітами графітових шарів, які чутливі до міжшарової відстані графіту. Ми виявили, що кривизна обох смуг різко змінюється, оскільки електронний потенціал відрізняється від рівня Фермі. Таким чином, ефективна маса електронів/дірок розраховується на основі кривизни обох смуг за допомогою рівняння
Температурна залежність
Зліва направо ці криві являють собою графітову поверхню, випромінювану хвилями ТГц при різних температурах (зображених як різні кольори) для V g = 0 V, V g = −3 V, V g = 3 V, відповідно. Кольори кривих представляють температури зразка, які показані праворуч.
Повнорозмірне зображення
обговорення
де E - поверхневе поле, а m * - ефективна маса квазічастинки. Розумно припустити, що амплітуда ТГц від графіту задовольняє тому самому правилу і є пропорційною
Нарешті, ми виконуємо модуляцію поверхневого поля і температурні зміни сигналу ТГц, випромінюваного графітом. Наш результат чітко доводить механізм генерації ТГц, поверхневе поле приводить фотоносії в перехідний струм, що випромінює ТГц хвилю. Ми також проводимо розрахунки ab initio для ефекту екранування поля та кривої дисперсії електронів у напрямку Z графіту. Теоретичний результат сильно підтримує наш фізичний образ і показує, що зовнішнє поле екрановано на 2-3 атомних шари графіту. Амплітуди насичення THz позитивної та негативної напруг затвора мають співвідношення 2, 3, оскільки ефективна маса електронів приблизно в 2,3 рази перевищує ефективну масу отворів у напрямку Z (нормальної до площини землі) високих затворів графіт. Незважаючи на схожість напівпровідникового механізму, графіт має швидшу амплітудну насиченість і не чутливий до температури в діапазоні кімнатних температур до 80 ° C.
Детальніше
Як цитувати цю статтю: Ye, T. et al. Механізм та модуляція генерації терагерц із напівметричного графіту. Наук. Респ. 6, 22798; doi: 10.1038/srep22798 (2016).
Додаткова інформація
Документи Word
Додаткова інформація
Коментарі
Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.