עיצוב, ייצור, וניסויית אפיון של פולטי Terahertz פוטו Plasmonic

Summary

אנו מתארים שיטות לעיצוב, הייצור, והאפיון ניסיוני של פולטי photoconductive plasmonic, אשר מציעים שני סדרי גודל רמות העצמה גבוהות יותר בהשוואה לterahertz emitters photoconductive קונבנציונלי.

Abstract

במאמר זה אנו מציגים סרטון הדגמה מפורטת של שיטה יעילה ביותר ליצירת גלי terahertz. הטכניקה שלנו מבוססת על photoconduction, אשר כבר אחת הטכניקות הנפוצות ביותר לterahertz דור ^1-8. דור Terahertz בפולט photoconductive מושגת על ידי שאיבת הפוטוקונדוקטור ultrafast עם תאורת לייזר פעם או heterodyned. פוטוני המושרה, העוקב את המעטפה של לייזר המשאבה, מנותב לאנטנה קורנת terahertz המחוברת לאלקטרודות קשר Photoconductor ליצור terahertz קרינה. למרות היעילות הקוונטית של פולט photoconductive יכולה תיאורטית להגיע ל -100%, באורכי נתיב התחבורה הארוכים יחסי של נשאי תמונה שנוצרו לאלקטרודות הקשר של photoconductors הקונבנציונליים מוגבלים היעילות הקוונטית שלהם בחומרה. בנוסף, השפעת הקרנת המנשא והתפלגות תרמית להגביל עמ התפוקה המקסימלית בקפדנותower מקורות terahertz photoconductive קונבנציונליים. כדי לענות על מגבלות היעילות הקוונטית של פולטי terahertz photoconductive קונבנציונליים, פיתחנו קונספט פולט photoconductive חדש אשר משלב תצורת מגע אלקטרודה plasmonic להציע קוונטי יעילות גבוהה ותפעול ultrafast בו זמנית. על ידי שימוש באלקטרודות קשר plasmonic בקנה מידה ננו, אנחנו להפחית באופן משמעותי את הדרך הממוצעת תמונה שנוצר ספק תחבורה לאלקטרודות קשר Photoconductor לעומת photoconductors קונבנציונלי ^9. השיטה שלנו גם מאפשרת הגדלת אזור פעיל הפוטוקונדוקטור ללא עלייה משמעותית בטעינת קיבולי לאנטנה, לחיזוק כוח terahertz הקרינה המרבי על ידי מניעת השפעת מנשא ההקרנה ופירוק תרמי בסמכויות משאבה אופטיות גבוהות. על ידי אלקטרודות המשלבות מגע plasmonic, אנחנו מדגימים שיפור יעילות המרת כוח אופטי לterahertz של photoconductive te קונבנציונליפולט rahertz בפקטור של 50 ^10.

Introduction

אנו מציגים פולט terahertz photoconductive רומן שמשתמש בתצורת אלקטרודה קשר plasmonic על מנת לשפר את יעילות ההמרה אופטית לterahertz על ידי שני סדרי גודל. הטכניקה שלנו מטפלת במגבלות החשובות ביותר של פולטים קונבנציונליים photoconductive terahertz, הספק כלומר נמוך ויעילות צריכת חשמל ירודה, שמקורם מהאיזון המובנה בין יעילות הקוונטית גבוהה ופעולה מהירה של photoconductors הקונבנציונלית.

אחד החידושים המרכזיים בעיצוב שלנו, שהביאו לשיפור ביצועים זו קפיצת המדרגה היא לעצב תצורת אלקטרודה קשר שמצטברת במספר גדול של נושאי צילום שנוצרו בסמיכות להאלקטרודות המגע, כזו שהם יכולים להיות שנאספו במסגרת תת picosecond לוח זמנים. במילים אחרות, האיזון בין פעולת ultrafast הפוטוקונדוקטור ויעילות הקוונטית גבוהה מרוכך באמצעות מניפולציה המרחבי של צילום הסוגיםספקי טד. אלקטרודות קשר Plasmonic מציעות יכולת ייחודית זו על ידי (1) המאפשרת כליאת אור לאזורים פעילים בקנה מידה ננומטרי מכשיר בין האלקטרודות plasmonic (מעבר לגבול השתברות), (2) שיפור אור יוצא דופן במגע המתכת וצילום קליטת המוליכים למחצה ^{10 ממשק, 11.} מאפיין נוסף חשוב של הפתרון שלנו הוא שזה יכול להכיל אזורים פעילים Photoconductor גדולים ללא עלייה משמעותית בטעינה הטפילה לאנטנה הקורנת terahertz. אזורי Photoconductor פעילים גדולים ניצול לאפשר מקלים השפעת מנשא ההקרנה והתפלגות תרמית, שהם המגבלות האולטימטיביות לכוח הקרינה המקסימאלי מפולטי photoconductive קונבנציונליים. מאמר זה וידאו מרוכז בתכונות הייחודיות של הפתרון שהוצג על ידי שלנו מתאר את הפיזיקה השולטים, מודלים מספריים, ואימות ניסיוני. אנחנו בניסוי מדגימים 50 פעמים סמכויות terahertz גבוהות יותר מאוריה plasmonicפולט oconductive בהשוואה לפולט photoconductive דומה עם אלקטרודות מגע הלא plasmonic.

Protocol

1. ייצור פולט photoconductive Plasmonic

1. לפברק שבכות plasmonic.
   1. נקה את פרוסות מוליכים למחצה על ידי טבילה באצטון (2 דקות) ואחריו isopropanol (2 דקות), ושטיפה עם מים deionized (10 שניות).
   2. ייבש את המדגם עם חנקן ולחמם אותו על פלטה חמה על 115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות כדי להסיר כל מים הנותרים.
   3. A4 הספין Microchem 950K PMMA על המדגם ב 4000 סל"ד במשך 45 שניות. טרום לאפות להתנגד על פלטה חמה על 180 מעלות צלזיוס במשך 3 דקות.
   4. טען את הדגימה לתוך כלי יתוגרפיה אלומת אלקטרונים (JEOL JBX-6300-FS). לחשוף את הדפוס הצורם plasmonic במינון בסיס סביב 650 μC / ² ס"מ, באמצעות מתח האצה ק 100.
   5. לפתח PMMA ידי טבילה במדגם MIBK: תערובת 01:03 IPA עבור 90 שניות. מייד להעביר את הדגימה לפתרון של טהור isopropanol עבור 60 שניות.
   6. יש לשטוף את המדגם עם מים deionized עבור 10 שניות ולאחר מכן לייבש את המדגם עם חנקן.
   7. טען את הדגימה לחשפנית פלזמה (YES-CV200RFS). Descum המדגם באמצעות 30 כוח RF W על 30 מעלות צלזיוס בשיעור 100 SCCM O ₂ זרימה עבור 10 שניות.
   8. הסר משטח תחמוצת ידי הטבילה בHCl: 3:10 תערובת 0 ₂ H למשך 30 שניות. מייד להעביר את הדגימה למפל של מים לשטוף deionized למשך 4 דקות.
   9. להעביר את הדגימה לכוס של המים deionized כדי לצמצם את החשיפה לחמצן אטמוספרי לפני תצהיר מתכת.
   10. קח את הכוס המכילה את המדגם במי deionized למאייד מתכת (דנטון SJ-20). לפרוק את התא ולאחר מכן להסיר, לייבש, ולטעון את הדגימה לתוך התא (השלבים הבאים צריכים להיות אחריו ללא הפרעה, כדי למנוע היווצרות תחמוצת משטח על המדגם).
   11. לשאוב את החדר ללחץ מתחת 2x10 ^-6 טור. ההפקדה טי / Au (50/450 א).
   12. לפרוק את החדר ולהסיר את המדגם.
   13. כדי המראת המתכת הופקדה, הצב את המדגם על מחזיק בטפלוןהכוס של אצטון, לכסות, ולהשאיר למשך הלילה. לחשוף את הכוס, מניח אותו בתועמלן קולי, ולחכות עד שכל המתכת לא רצויה להסרתו (בדרך כלל 30 שניות).
2. פסיבציה ₂ SiO ההפקדה.
   1. נקה את המדגם כמו בשלבים - 1.1.1 1.1.2.
   2. טען את הדגימה בכלי תצהיר משופר פלזמה באדים כימי (GSI PECVD). ההפקדה 1500 א 'של SiO ₂ ב 200 ° C.
3. פתח vias קשר דרך SiO _2.
   1. נקה את המדגם כמו בשלבים - 1.1.1 1.1.2.
   2. ספין על HMDS ב 4000 סל"ד במשך 30 שניות. ספין על photoresist Megaposit SPR 220-3.0 ב 4000 סל"ד במשך 30 שניות. טרום לאפות להתנגד על פלטה חמה על 115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות.
   3. טען את המדגם ומסיכת הצלחת לתוך הקרנת יתוגרפיה צעד (GCA AutoStep 200). יישר את המדגם ולחשוף.
   4. לאחר לאפות photoresist נחשף על פלטה חמה על 115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות.
   5. לפתח להתנגד בAZ מפתח MIF 300 ל60 שניות.
   6. מייד להעביר את הדגימה למפל של מים לשטוף deionized למשך 4 דקות. ייבש את המדגם עם חנקן.
   7. טען את הדגימה לחרט יון תגובתי (לאם 9400). לחרוט SiO ₂ שימוש בכוח TCP-RF של 500 וואט, ספק RF הטיה של 100 וואט, 15 SCCM של SF6-, 50 SCCM של C ₄ F _8, 50 SCCM שלו, 50 SCCM של אר עבור 80 שניות.
   8. הסר את חלק הארי של photoresist על ידי הנחת המדגם באצטון (5 דקות) ואחריו isopropanol (2 דקות). יש לשטוף במים מזוקקים (10 שניות). לייבש עם חנקן.
   9. הסר photoresist השיורי על ידי טעינת הדגימה בחשפנית פלזמה (YES-CV200RFS). הסר photoresist באמצעות 800 כוח RF W על 30 מעלות צלזיוס בשיעור 100 SCCM O ₂ זרימה למשך 5 דקות.
4. לפברק אנטנות וקווי מתח.
   1. חזור על שלבי 1.3.1 - 1.3.6 לאנטנות דפוס וקווי מתח.
   2. חזור על שלבים 1.1.8 1.1.9 - כדי להסיר משטח תחמוצת.
   3. קח את הכוס המכילה את המדגם וdeionized מים למאייד מתכת (דנטון SJ-20).
   4. לפרוק את התא ולאחר מכן להסיר במהירות, לייבש, ולטעון את הדגימה לתוך התא.
   5. לשאוב את החדר ללחץ מתחת 2x10 ^-6 טור. הפקדת טי / Au (10/4, 000 א).
   6. לפרוק את החדר ולהסיר את המדגם.
   7. חזור על שלב למתכת הופקדה המראת 1.1.13.
5. ארוז את המדגם.
   1. מדביקים את הקצוות של עדשת 12 מ"מ קוטר Hyper-חצי כדור סיליקון למכונת כביסה אלומיניום 2 סנטימטר עם חור 8 מ"מ.
   2. דבק לוח PCB עם עקבות מתכת, שבה אפשר בקלות הלחמה, למכונת הכביסה האלומיניום.
   3. הר טיפוס הפולט terahertz photoconductive plasmonic מפוברק על עדשת סיליקון באמצעות דק אפוקסי.
   4. חוט אג"ח את רפידות מגע המכשיר ללוח PCB מודבק על אותה מכונת הכביסה אלומיניום.
   5. חוטי הלחמה לעקבות המתכת על לוח המעגל המודפס.
   6. חבר רפידות מגע מכשיר למנתח פרמטרית (היולט חבילהARD 4155A) באמצעות חוטים מולחמים לרפידות המתאימות של לוח המעגלים המודפסים למטרות בדיקה.

2. אפיון פולט photoconductive Plasmonic

1. יישור מכשיר.
   1. הנח את מכונת הכביסה מאלומיניום נושא את אבות הטיפוס הפולט terahertz photoconductive plasmonic על הר סיבוב ולהתמקד בחוזקה המשאבה האופטית מטי: ספיר לייזר מצב נעול (מירה 900D V10 XW השטחים 110V) על האזור הפעיל של כל התקן.
   2. התאם את הר הסיבוב כזה שהשדה החשמלי של המשאבה האופטית מכוון לעירור יעיל של פני השטח plasmon גלים (רגיל לשבכות plasmonic).
   3. השתמש במנתח פרמטרית לחול בו זמנית מתח הטיה לכל מכשיר ולמדוד את הזרם החשמלי המושרה בכל התקן. לאשר את יישור המשאבה האופטי האופטימלי והתאמת קיטוב על ידי ניצול מרבי של פוטוני כל מכשיר הנבדק.
2. מדידת תפוקת חשמלurement.
   1. השתמש במסוק אופטי (Thorlabs MC2000) לווסת מהמצב הנעול תקרית לייזר משאבה בכל התקן המשאבה האופטית.
   2. למדוד את תפוקת החשמל של אבות טיפוס הפולט terahertz photoconductive plasmonic באמצעות גלאי pyroelectric (גלאי ספקטרום, Inc SPI-65-THz).
   3. לחבר את הפלט של גלאי pyroelectric לנעילה במגבר (סטנפורד מחקר SR830 מערכות) בתדירות ההתייחסות של המסוק האופטי כדי לשחזר את הנתונים של כוח terahertz ברמות רעש נמוך.
3. אפיון ספקטרלי קרינה.
   1. התחל עם טי: לייזר מצב נעול ספיר ולהשתמש במפצל קרן לפצל את הפלט של לייזר מצב נעול לקרן משאבה וקרן חללית.
   2. השתמש מאפנן electrooptic (Thorlabs איו-AM-NR-C2) כדי לווסת את הקרן האופטית בנתיב המשאבה. למקד את אלומת המשאבה על האזור הפעיל של פולט photoconductive הנבדק לייצר terahertz קרינה.
   3. Collimateקרן terahertz נוצרה באמצעות עדשה כדורית פוליאתילן ראשונה. למקד את אלומת terahertz collimated באמצעות עדשה כדורית פוליאתילן שנייה.
   4. לפני המיקוד של קרן terahertz, לשלב את קרן terahertz collimated עם הקרן האופטית באמצעות הבדיקה מסנן זכוכית מצופה איטו.
   5. הנח 1 מ"מ עובי, <110> ZnTe גביש רכוב על במה רוטציה במוקד המשולב של הקרן האופטית וterahertz.
   6. הכנס קו עיכוב אופטי לשליטה בנתיב הבדיקה האופטית באמצעות שלב יניארי ממונע (Thorlabs NRT100) כדי לגוון את השהות בין פולסים האופטיים וterahertz אינטראקציה בתוך גביש ZnTe.
   7. באמצעות חצי waveplate בנתיב החללית, לסובב את הקיטוב של החללית האופטית להיות בזווית של ° 45 ביחס לכיוון קיטוב terahertz.
   8. השתמש ברבע waveplate לאחר גביש ZnTe, להמיר את קיטוב האלומה האופטי לקיטוב מעגלי.
   9. פיצול circulקרן אופטית Arly מקוטב לשני ענפים על ידי פריזמה ולאסטון. למדוד את כוח הקרן האופטי בכל ענף באמצעות שני גלאים מאוזנים המחוברים לנעילה ב מגבר.
   10. חבר את קו העיכוב ונעילה ב המגבר הממונעים למחשב. לכתוב תסריט Matlab iteratively כדי להזיז את מיקומו של קו העיכוב הממונע, להשהות, ולקרוא את עוצמת האות מהנעילה ב מגבר.
   11. להמיר את מיקום הבמה לתחום הזמן, באמצעות חלוקת האורך הכולל ידי העיכוב האופטי במהירות אור, ואחריו התמרת דיסקרטי (באמצעות Matlab) כדי להשיג את נתוני תחום התדר.

תוצאות

כדי להדגים את הפוטנציאל של אלקטרודות plasmonic לterahertz שיפור כוח, אנחנו מפוברקים שני משדרים terahertz: פולט photoconductive קונבנציונלי (איור 1 א) וplasmonic (איור 1) בשילוב אלקטרודות קשר plasmonic כדי לקצר את זמני הובלת הספק ליצור קשר עם אלקטרודות. שני העיצובים מורכבים הפוטוק?...

Discussion

במאמר זה וידאו, אנו מציגים טכניקת דור terahertz photoconductive רומן שמשתמשת בתצורת אלקטרודה קשר plasmonic על מנת לשפר את יעילות ההמרה אופטית לterahertz על ידי שני סדרי גודל. העלייה המשמעותית בכוח terahertz הקרינה ממשדרי photoconductive plasmonic שהוצגו היא בעל ערך רבה לעתיד רגישות גבוהה terahertz הדמיה, ספק...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagent
Polymethyl Methacrylate (PMMA)	MicroChem	950K PMMA A4
Hexamethyldisilazane (HMDS)	Shin-Etsu MicroSI	MicroPrime HP Primer
Optical Photoresist	Dow Chemical	Megaposit SPR 220-3.0
Photoresist Developer	AZ Electronic Materials	AZ 300 MIF Developer
Methyl Iso-Butyl Keytone (MIBK)	Avantor Performance Materials	9322-03
Equipment
Ti:Sapphire Mode-Locked Laser	Coherent	MIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr–lectric Detector	Spectrum Detector	SPI-A-65 THz
Electron-Beam Lithography Tool	JEOL	JBX-6300-FS
Plasma Stripper	Yield Engineering Systems	YES-CV200RFS
Metal Evaporator	Denton Vacuum	SJ-20
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Tool	GSI	GSI PECVD System
Projection Lithography Stepper	GCA	AutoStep 200
Reactive Ion Etcher	LAM Research	9400
Parameter Analyzer	Hewlett Packard	4155A
Optical Chopper	Thorlabs	MC2000
Lock-in Amplifier	Stanford Research Systems	SR830
Electrooptic Modulator	Thorlabs	EO-AM-NR-C2
Motorized Linear Stage	Thorlabs	NRT100