基于半金属材料超快光致能斯特效应的太赫兹发射技术

本发明提供了一种太赫兹波产生的技术，具体涉及一种基于半金属材料的常规光致能斯特效应而辐射太赫兹波的方法。

背景技术：

1、太赫兹(thz)波是一种波长介于0.03-3mm范围的电磁辐射。thz波具有很多独特优点，如：物质的thz光谱包含着非常丰富的物理和化学信息，低导电和极化介质对于thz几乎透明，thz光子的能量低不易造成被测物损伤，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰获得高信噪比等。因此thz波在通信、雷达、天文、材料学、医学成像、安全检查、生物化学物品鉴定等领域具有巨大的应用潜力。但是，thz波也是研究者最少涉足的辐射波段之一，这主要是受到有效thz发射源和灵敏探测器方面的技术限制。

2、thz发射源在thz应用中处于基础核心地位，是制约thz技术发展的关键。当前的thz发生器在成本、体积、谱宽或者使用条件方面有着种种缺陷，如当前在科研上所使用的基于飞秒激光非线性光学效应的半导体晶体(znte、inas、insb等)和光电导天线thz源，虽然具有体积小、宽带发射和室温工作的优点，但价格在数千到数万元人民币。光电导天线工作还需要外加电源激励，并且由于是微纳加工的光电器件，本身易于损坏。近年来开发的自旋thz发生器虽然理论上能够显著降低成本，但它的工作原理是基于自旋流在磁性和非磁性纳米异质结构间高效的转移，需要极高质量的层间介面才能产生高效的thz发射，这对器件的制备技术工艺提出了非常高的要求，不易普及。

技术实现思路

1、针对上述基于超快激光的宽谱太赫兹发射器成本昂贵或制备工艺要求较高的问题，本发明提出了一种新颖的基于半金属材料的常规光致能斯特效应(一种光热电效应)的thz发射技术，其原理如图1所示。本发明能够在保持thz发射性能的前提下，显著降低基于超快激光的thz发射器的成本。

2、thz波可以通过响应时间在皮秒量级的瞬态电流或极化过程产生。传统的热电效应响应速度一般在纳秒甚至微秒量级以上，被认为与thz发射无关。但近年研究发现当飞秒激光照射到具有皮秒动力学响应的热电材料上时，由光吸收导致的载流子的瞬态热化和材料中光强变化建立的温度梯度，可以产生皮秒响应的热电流。根据e(t)∝dj/dt(e为远场辐射的电场强度矢量，j为瞬态电流矢量，t为时间)，这一瞬态电流能够辐射thz波。热电效应作为常见物理效应，相关研究已十分深入，备选材料广泛，技术手段成熟，所以基于超快光热电效应的thz发射能够显著降低器件成本。

3、由材料中温度梯度而产生的热电流效应可分为塞贝克效应和能斯特效应两大类。一般而言，塞贝克效应的热电流与温度梯度方向平行，而能斯特效应是在磁场作用下产生的与温度梯度方向垂直的热电流其可近似表达为其中s为能斯特电导率，b为磁场强度矢量。在光致thz发射方面，一般情况下根据塞贝克效应光热电流主要延垂直于样品面方向，thz波在样品面内传播，thz波发射不易有效产生和收集。而通过能斯特效应，热电流在面内方向，则thz波在垂直样品面方向传播，可以有效而便捷地产生和收集。而且能斯特电流可以很容易地通过磁场调制而放大和改变方向，有利于thz发射强度的增强和调制。但由于能斯特效应是由载流子热扩散和磁场相互作用产生的，所以对于一般热电材料在通常情况下其响应相对较弱，而且一般材料的载流子寿命显著大于皮秒量级，相应的瞬态电流频率小于thz频率。因此当前尚未发现基于能斯特效应产生thz波的研究发表。

4、相较于一般材料体系(如常规半导体、金属等)，半金属材料(如石墨、石墨烯、拓扑半金属、拓扑绝缘体表面态等)在基于能斯特效应的thz发射方面具有许多优势。半金属材料中普遍存在光热电效应，是其瞬态电流产生的主要机制之一，而且半金属材料一般拥有很高的载流子迁移率和小的费米面，在理论和实验发现其具有超越传统热电材料的强的能斯特响应。多数半金属材料都具有皮秒量级的载流子动力学特性，可以产生thz频率的光热电响应。半金属材料的零带隙能带结构还为光致能斯特效应带来了两个独特优势。一是半金属同时存在电子和空穴并都会对热电效应产生显著贡献，光激发产生的电子一空穴对的双极扩散效应可以大幅增强能斯特响应。另一个是光激发几乎不受激发波长的限制，半金属材料对于各波长激发光都有着显著地吸收，可以在纳米薄膜中产生宽谱响应的高效光热电效应。因此半金属材料是通过光致能斯特效应产生thz发射的优选材料体系。

5、技术方案

6、本发明所提出的基于半金属材料的光致能斯特效应的thz发射技术，包括如下几个方面：

7、1)使用具有皮秒载流子动力学的高性能能斯特材料或异质结构作为thz发射器的基础材料。

8、2)以脉冲光作为激发光照射thz发射器，通过光热效应在材料中建立瞬态温度梯度。

9、3)为thz发射器施加磁场引入能斯特效应，产生面内方向的瞬态光热电流或电流分量而辐射thz波。可以通过改变磁场的强度、方向和器件方位角来对thz的发射强度及偏振方向进行调制和优化。

10、4)为获得大的thz发射强度，激发光强和磁场强度需要尽量大，但要小于相关材料的损伤阈值或不超过thz发射的强度峰值(若有)。

11、5)样品所发射的thz波通过抛物面镜、thz透镜、波导等元件收集，并可利用thz时域光谱系统等方式检测所发射的thz强度及偏振。

12、6)基于光致能斯特效应的thz发射器，其优选材料为半金属，如石墨、石墨烯、拓扑半金属、拓扑绝缘体表面态等。

13、7)thz发射器的结构需针对光学系统专门设计并用特定样品架安装。若采用透射式光学系统，则样品衬底(若有)，样品架及样品安装方式需保证thz波的透过，若激发光先照射在样品衬底面，则需要衬底对激发光透明。若采用反射式光学系统，处上述要求外，还需要样品面方向可调整以满足系统的反射几何。

14、8)为降低成本，所施加磁场可以选用商业永磁铁产生。

15、根据thz发射器所使用基础材料的特性和适用场合，本发明的thz发射技术采用不同的thz激发-收集方法。

16、1)块体材料：样品可通过特定支撑器(如黏贴或镶嵌在托片上，使被照射面裸露于外)安装在易于调节样品方位角和位置的样品架上，通过反射方式收集所产生的thz波。

17、2)外延薄膜或纳米材料：样品直接生长或转移到衬底材料上，然后安装于样品架上，根据所产生thz波的强弱和光学系统的方便性选择照射面和透射、反射方式收集所产生的thz波。

18、本发明的优点：

19、通过光致能斯特效应(一种光热电效应)产生thz发射，其基础研究比较成熟，材料来源广泛，制备工艺简单。光致能斯特效应产生的瞬态电流方向一般在样品面内与激发光垂直，方便电磁辐射的有效产生和收集。根据常规能斯特效应，通过改变磁场强度、方向以及样品的方向等方式，还能够对thz的发射强度和偏振进行有效地调制。

20、本发明的优选材料为半金属，光热电效应普遍存在于半金属材料之中，是其产生瞬态电流的主要机制之一。多数半金属材料都具有皮秒级的载流子弛豫时间，同时具有较强的能斯特效应。半金属材料的零带隙能带结构使其光激发几乎不受波长的限制，且光生电子和空穴的双极扩散效应可以进一步增强能斯特响应。因此基于半金属材料，光致能斯特效应可以产生较高的thz发射效率。

21、本发明的thz发射技术在室温和大气环境中下即可工作，同时可在大的温度范围(不超过样品损伤阈值)工作，并且利用当前商业永磁体就能获得高强度的thz发射，成本低廉方法简便，有助于取代昂贵的基于高质量半导体材料的太赫兹发射器。