光电导天线材料对辐射太赫兹波特性的模拟分析

光电导天线是太赫兹时域光谱系统中普遍使用的宽带太赫兹辐射源,天线衬底材料对其辐射太赫兹波特性至关重要。目前广泛使用的光电导天线材料是第二代半导体材料GaAs,而第三代半导体材料具有更大的禁带宽度,对提高天线辐射太赫兹波的功率更有利。本文利用大孔径光电导天线的电流瞬冲模型,对常用光电导天线材料(SI-GaAs、LT-GaAs)和未来有望应用于光电导天线的第三代半导体材料(ZnSe、GaN、SiC)辐射太赫兹波的特性进行了仿真研究,结果表明在相同偏置电场和各自最高光通量触发下,LT-GaAs天线辐射太赫兹波的幅值最高、频谱最宽;第三代半导体材料制备的天线可以承受更高的偏置电场,在各自的最大偏置电场下辐射太赫兹波的强度远远大于GaAs天线。本工作对研制新型的第三代半导体光电导天线提供了理论指导。

电磁场调制下的应变黑磷烯带间光电导

黑磷烯具有各向异性且独特的光电性能被广泛研究.应变、电压等常用来调制能带结构,进而调制其光电特性.本文采用紧束缚近似哈密顿量,考虑施加垂直磁场、电场、面内面外应变条件下的黑磷烯能带结构,进一步利用Kubo公式研究了黑磷烯光电导率在多个调制因子下的特征,并从能带结构进行了机理分析.垂直磁场使能带劈裂,产生多通道带间跃迁,光电导率表现出多个峰.随着面内拉伸应变增加能隙增加,光电导峰位依赖于能隙.而面外拉伸应变对能隙的调制区别于面内应变,能隙表现出非单调变化.电场通过带隙的变化,调制光电导率峰值位置.综合不同的调制因子,能带和光电导表现出丰富的调制效果,为研究基于黑磷烯光电器件的应用提供理论支持.

基于砷化镓光电导开关的双极性固态脉冲功率源

设计了一种基于砷化镓(GaAs)光电导开关(PCSS)的双极性固态脉冲功率源。通过对两级脉冲形成线(PFL)结构端反射系数的研究,分析了单极性正、负脉冲以及双极性脉冲产生的波过程,并采用PSpice工具开展电路仿真研究。研究了输入端电阻阻抗对脉冲拖尾的影响,提出了脉冲拖尾调制和脉冲宽度调制的方法。基于体结构GaAs PCSS和两级脉冲形成线结构,搭建了电阻隔离的脉冲充电实验平台,采用光路分时触发技术对光电导开关导通时序进行调控。实验结果表明,所研制的双极性固态脉冲功率源在2.5 kV偏压下可产生峰峰值达3.26 kV、脉宽5.6 ns、重复频率1 kHz的双极性纳秒冲激脉冲,验证了将雪崩GaAs PCSS与多级波拓扑结构PFL结合产生双极性纳秒冲激脉冲的可行性。

弱光触发下GaAs光电导开关的载流子输运和热失效机制

弱光触发下高倍增砷化镓光电导开关(GaAs PCSS)内以丝状电流为表现形式的载流子输运机制对其瞬态工作特性和寿命研究有重要意义。该文基于有限元方法构建了GaAs PCSS的物理模型,结合丝状电流的生热机制对1.5μJ弱光触发下开关的瞬态输出电流和晶格温度进行了仿真分析,考察了偏置电场对GaAs PCSS输出特性的影响。通过不同时刻开关内部的瞬态电场、电子浓度和晶格温度等方面研究了高倍增模式下GaAs PCSS的光生载流子输运过程和损伤机理。结果表明,高密度丝状电流的存在伴随于高场畴的产生和发展。开关内部电场越高,负微分效应引起的载流子聚束现象越明显,相应的电子浓度和晶格温度值也越高;在浓度达1017 cm^(-3)数量级的等离子体通道中,阳极附近电场强度和晶格温度最大值分别为220 kV/cm和821.92 K。

光电器件中的负光电导效应及应用

随着信息化时代的高速发展,对微电子器件中光电材料的选择、新功能的开发提出了更高的要求。传统光电器件大多利用半导体材料在光照下电导率增加的正光电导性效应进行功能化设计。近年来,研究发现还存在另一种反常的光电导效应——负光电导(Negative photoconductivity,NPC),即在光照条件下电导率降低,由于其在光电探测、逻辑器件、神经形态器件、低功耗非易失性存储器方面的潜在应用而备受关注。NPC的产生机制一般包括载流子的俘获效应、表面分子的吸附-解吸、表面等离子体极化激元和局域表面等离子体共振、光辐射热效应等。本文详细讨论了不同光电器件中NPC产生的物理机制,分析了材料选择、器件结构设计、能带结构变化对不同异质结器件中NPC效应的影响,概括了光电器件中负光电导效应的实际应用,这为光电器件的性能优化和新型光电器件设计提供了重要参考,为未来异质结光电信息器件实现尺寸更小、光导增益更高、速率更快、功耗更低奠定了科学基础。

光电导引头内部结雾现象机理分析

通过理论分析和实验测试对温度循环条件下机载导弹光电导引头低温结雾现象形成机理进行了研究,阐明了密封结构在温度循环过程中的呼吸作用是导致导引头内部结雾现象的主要原因,进一步推导了交变温度条件下密封结构通过呼吸作用引入水汽含量与结构泄漏率的关系,表明呼吸作用引入水汽含量与产品泄漏率成指数级正相关,泄漏率越高,单次呼吸作用引入水汽含量越高,越容易产生结雾现象;当泄漏率低于1×10^(-6)Pa·m^(3)/s时,能够有效降低温度循环过程中的呼吸作用导致的气体交换速度,将温度循环筛选中气体交换总量控制在可接受的范围内;并针对不同泄漏率产品产生结雾现象所需温度循环次数进行了实验验证。

太赫兹波光电导天线探测器的研究进展

对国内外利用光电导天线探测器检测偏振太赫兹波进行了归纳总结,发现国内外对用于太赫兹偏振检测的光电导天线探测器的研发各有优缺点,但不能同时满足高效率、高精度、高信噪比的要求。因此,通过对光电导天线阵列探测器的有源区域、相邻阵元之间的反向电流和探测准确性等进行国内外研究现状和发展动态梳理,分析光电导阵列探测器在太赫兹偏振检测中所遇到的关键问题,为光电导天线阵列探测器的研发和应用提供一定的参考。

基于整形飞秒激光脉冲泵浦光电导天线的宽带太赫兹辐射研究

飞秒激光脉冲泵浦光电导天线可以产生宽带太赫兹脉冲辐射。采用具有缓慢上升--快速下降整形脉冲包络的飞秒激光脉冲与光电导天线作用产生宽带太赫兹辐射,基于Drude-Lorentz模型计算了太赫兹辐射的规律,并讨论了激光脉冲脉宽和半导体载流子寿命对太赫兹辐射产生的影响。研究结果表明,尽管这种整形飞秒激光脉冲的能量有所损失,但是这种泵浦方式能够比普通飞秒激光脉冲泵浦光电导天线产生更宽的太赫兹辐射。该结果为实验上基于光电导天线产生宽带太赫兹脉冲辐射提供了新的思路。

基于新电极的太赫兹光电导天线设计

提出了分别采用凹形电极和新叉指形电极的两种光电导天线,其电极产生的静电场电场强度是中间小而周围大,而激光光斑的光强是中间大而周围小,因此提高了衬底的抗击穿能力和光电流。相比于采用传统带状线电极的光电导天线,采用凹形电极的光电导天线产生的光电流提升了62%;相比于采用传统叉指形电极的光电导天线,采用新叉指形电极的光电导天线产生的光电流提升了41%。所设计的两种光电导天线都具有结构简单、便于加工且易与其他提高辐射功率的技术相结合的优点,其在成像、生物传感、通信和光电探测等领域有着重要的潜在应用价值。

重复频率下GaAs光电导开关的热积累研究

非线性模式下高密度丝状电流的热效应往往引发砷化镓光电导开关(GaAs PCSS)内部温度急剧上升,从而导致可靠性下降甚至热击穿,限制了器件的进一步应用。针对重复频率条件下光电导开关内部的热积累问题,基于理论分析构建二维模型,对高功率砷化镓光电导开关内部丝状电流温度分布进行模拟,获得了开关内部温度的时空变化规律。结果表明,由于材料自身的负微分迁移率(NDM)和导热系数等物理参数的影响,重复频率越高,热积累效应越明显。当重复频率为10 kHz时,温度最高升至1 262.73 K;在1 kHz重复频率触发下,丝状电流的直径较小(≤10μm)时,开关内部热积累效应不显著,当直径较大(>10μm)时,温度随着丝状电流直径的增加呈指数升高,温度最高可至871.43 K。该研究可为重复频率工作条件下大电流非线性GaAs PCSS的工作稳定性研究提供理论指导。

InGaAs/InAlAs光电导太赫兹发射天线的制备与表征

光电导天线作为太赫兹时域光谱仪产生与探测太赫兹辐射的关键部件,具有重要的科研与工业价值。本文采用分子束外延(MBE)方法制备InGaAs/InAlAs超晶格作为1550 nm光电导天线的光吸收材料,使用原子力显微镜、光致发光、高分辨X射线衍射等方式验证了材料的高生长质量;通过优化制备条件得到了侧面平整的台面结构光电导天线。制备的光电导太赫兹发射天线在太赫兹时域光谱系统中实现了4.5 THz的频谱宽度,动态范围为45 dB。

GaAs光电导开关非线性模式的雪崩畴输运机理

光电导开关非线性模式的产生机理研究是该领域热点问题之一.本文采用波长1064 nm、脉宽5 ns的激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关,在触发光能1 mJ、偏置电压2750 V时获得稳定的非线性波形.基于双光子吸收模型,计算了开关体内光生载流子浓度,计算结果表明光生载流子弥补了材料本征载流子的不足,在开关体内形成由光生载流子参与的电荷畴.依据转移电子效应原理,对畴内的峰值电场进行了计算,结果表明高浓度载流子可使畴内峰值电场远高于材料的本征击穿场强,致使畴内发生强烈的雪崩电离.基于光激发雪崩畴模型,对非线性模式的典型实验规律进行了解释,理论与实验一致.基于漂移扩散模型和负微分电导率效应,对触发瞬态开关体内电场进行仿真,结果表明开关体内存在有峰值电场达GaAs本征击穿场强的多畴输运现象.该研究为非线性光电导开关的产生机理及光激发电荷畴理论的完善提供实验依据和理论支撑.

温度相关的CsPbBr_(3)纳米晶瞬态光电导响应研究

近年来,全无机铯铅卤化钙钛矿CsPbX_(3)(X=Cl,Br,I)纳米晶(NCs)材料因具有长载流子寿命、强光吸收、低成本制造和带隙可调性等独特的性能已成为研究的热点,但专注于CsPbBr_(3)纳米晶瞬态光电导的相关研究却很少。本工作通过配体辅助再沉淀法制备了CsPbBr_(3)纳米晶体,并改进了光电导薄膜样品的制样方法和真空瞬态光电导测试装置,研究了不同温度和不同激发功率对CsPbBr_(3)纳米晶瞬态光电导的影响。不同温度的瞬态光电导实验结果表明,在133~273 K温度范围内,光生电流衰减速率随着温度增加而逐渐减小,而在273~373 K温度范围内,光生电流衰减速率随着温度升高而逐渐增大。不同激发功率的瞬态光电导实验表明,激发功率从200 mW逐渐增大到1000 mW时,光生电流衰减速率增大。本工作的研究方法为研究光激发光生载流子的动力学相关行为提供了一个的新思路。

任意空间维倾斜狄拉克费米子的带内纵向光电导的推导

狄拉克费米子是当前凝聚态物理中的研究热点.狄拉克费米子的纵向光电导,因其能够提取能带结构信息而被广泛关注.本文基于低能有效模型与线性响应理论,利用生成函数方法,解析地处理零温下任意空间维、任意倾斜相的狄拉克费米子的带内纵向光电导.特别地,我们讨论了二维和三维空间情况,并揭示了不同维度的倾斜类型对带内纵向光电导的影响.文中发展的生成函数方法有望用于其他相关问题的研究.

非故意掺杂n型GaN的负持续光电导现象

研究了MOCVD方法制备的非故意掺杂n型GaN薄膜的持续光电导现象.实验发现样品的光电导与入射光强有密切的关系,当入射光强由弱到强变化时,样品会依次出现正常持续光电导(PPC)、负光电导(NPC)和负持续光电导(NPPC)现象.据知,这是首次在一个样品中仅仅通过改变入射光强就可以依次产生以上现象的实验报道.通过系统的实验分析和理论研究认为,该现象形成的主要原因是材料中深能级电子陷阱和空穴陷阱共同作用的结果.

层级人工等离激元结构增强的太赫兹光电导天线(特邀)(英文)

为提高太赫兹光电导天线输出效率,提出了一种基于层级人工等离激元结构的光电导天线的设计方法。层级人工等离激元结构由纳米尺度金属块阵列和微米尺度周期栅格结合而成,理论与仿真结果表明,前者通过人工局域表面等离激元谐振效应可提高光子-电子转换效率,后者则利用人工表面等离激元结构基模的禁带和高阶模式与电流源模式之间的正交性增强了光电导天线的垂直方向性。集成了层级人工等离激元结构的光电导天线结合了两种结构的优点,数值计算结果表明,其输出效率优于分别采用两种结构的方案。相较于未改进的光电导天线,层级人工等离激元结构在较宽频带范围内(0.86~1.51 THz)实现了光电导天线垂直方向辐射功率密度的提高。

单层二硫化钼的磁光电导率研究

考虑外加磁场导致的量子化朗道能级以及邻近效应诱导产生的交换作用,采用无规相近似(Random-phase approximation,RPA)下的介电函数对单层二硫化钼(Monolayer molybdenum disulfide,ML-MoS_(2))的纵向磁光电导率进行理论研究。探究了磁场、邻近效应诱导产生的交换作用等因素对纵向磁光电导率的影响。在太赫兹(Terahertz,THz)频段,可以看到由导带内电子跃迁所贡献的两个磁光吸收峰。在可见光频段,可以观察到从价带到导带电子跃迁所贡献的多个磁光吸收峰。研究结果表明,邻近效应诱导产生的交换作用和磁场强度对纵向磁光电导率有重要的影响,单层二硫化钼可应用于可见光到太赫兹频段的自旋电子学和谷电子学磁光器件。

不同二维拓扑模型的光电导行为研究

我们系统研究不同二维拓扑模型的光电导行为。我们发现,当质量项与动量无关时,光学带间跃迁导致霍尔光电导的实部和虚部分别出现跳变以及峰值行为。相反,当质量项与动量相关时,光学带间跃迁导致霍尔光电导的实部和虚部出现峰值以及跳变行为。这些现象为我们理解光电导的拓扑行为以及利用光学手段表征二维拓扑提供了理论指导。

有机/无机复合结构光电导型器件的光激发机制

制备了PVK/ZnS有机无机复合的光电导型器件 ,器件结构分别为Glass/ITO/PVK/Al;Glass/ITO/ZnS/Al;Glass/ITO/ZnS/PVK/Al。通过研究此复合器件在外加电场作用下的稳态光电导激发谱 ,得到了基本光激发过程。把PVK/ZnS的吸收谱和器件的光电导谱进行比较 ,知道虽然两者的吸收对器件光电流都有贡献 ,但有效部分在PVK和ZnS的界面处。

用红外激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的实验研究

报道了用光子能量低于GaAs禁带宽度的红外激光脉冲,触发电极间隙为3mm和8mm的半绝缘GaAs光电导开关的实验结果。使用单脉冲能量为1.9mJ的1064nmNd:YAG激光触发开关,在偏置电压分别为3kV和5kV条件下,光电导开关分别工作于线性和非线性模式。用900nm半导体激光器和1530nm掺铒光纤激光器分别进行触发实验,得到了重复频率分别为5kHz和20MHz的电脉冲波形。结果表明,半绝缘GaAs光电导开关可以吸收大于本征吸收限波长红外激光脉冲。