二维材料2H--TaSe2太赫兹探测器及其光电性质的研究

摘要

太赫兹辐射(Terahertz radiation)是非常重要的波段，具有广泛的应用前景，因此受到了大范围的关注。太赫兹(THz)探测技术是太赫兹技术的重要研究领域。制备能够室温工作，响应速度快，探测灵敏度高，便于大规模阵列集成的太赫兹探测器是当前太赫兹探测技术的主要发展方向。二维材料的蓬勃发展为太赫兹探测提供了新的途径。近年来二维过渡金属硫化物(TMDCs)的性质使其取得了引人注目的成就，为太赫兹探测注入了新的活力。然而现有的太赫兹探测器仍然存在着探测效率不够高，响应速度不够快，工艺比较复杂等问题。解决这些问题是现在太赫兹探测领域的研究热点。 本文主要研究了基于二维材料的太赫兹探测器，其中包括:利用Log天线和蝶形天线将太赫兹波进行耦合，制备了基于2H-TaSe2的室温以及低温太赫兹探测器，通过天线耦合，电学调制和探索新的机理等方法提升了器件性能。这种太赫兹探测器具有工艺简单，可与硅基半导体工艺兼容，易于调控，可批量生产等优势，且性能位于同类器件前列，为当前二维材料太赫兹探测技术提供了新的思路和方法。本文主要研究内容和结果如下: 1.为实现高响应率的太赫兹探测器件，我们制作了微纳天线集成电荷密度波(CDW)的太赫兹探测器件。利用机械剥离的方法将2H-TaSe2转移到Si/SiO2衬底上，采用紫外光刻和热蒸镀工艺制备了Cr/Au人工微纳结构和源漏电极。CDW引起的场效应晶体管中的非平衡载流子的集体驱动，用于在高追踪太赫兹波段的敏感光检测。基于2H-TaSe2的光电探测器具有短至14μs的快速光响应，并且在室温下的响应率超过27V/W，并且可以通过项栅来进行电学和光学调控。为了降低器件的暗电流和噪声，制备了石墨烯—2H-TaSe2异质结光电探测器，与单材料相比响应率提高了一倍。这些器件的快速响应时间、相对高的响应率和易于制造产生了探索TMDCs中CDW冷凝物的新前景，目的是克服THz光谱范围内各种实际应用的现有限制。 2.通过设计并制备低温2H-TaSe2蝴蝶型天线的太赫兹探测器，在器件从常温降至低温的降温过程，观察了器件在相变过程中的电阻及光电流的变化趋势，探究了CDW态的集体激发并以集体方式传输电流的模式。通过结果分析表明，该器件探测性能较佳，具有很大的应用发展空间，是室温乃至低温二维太赫兹探测技术的候选器件类型之一。 3.利用自搭建的光学平台对太赫兹波进行聚焦，使用逐点扫描的方法对物体进行连续波成像。Thz连续成像系统的优点在于系统组构较简单并且造价低，更易被大范围使用。通过分析圆环、刀片及胶水的透射太赫兹成像采集到的强度信息从而进行进一步的改善，期望可以在不久的未来实现太赫兹大面积阵列化成像。

目录

摘要

第一章绪论

1．1 太赫兹波的性质及其应用

1．1．1太赫兹波的性质

1．1．2太赫兹波的应用

1．2太赫兹光源

1．3太赫兹波的探测

1．3．1太赫兹波光学和电学探测

1．3．2太赫兹波直接探测和相干探测

1．4本文的研究意义与内容

第二章室温2H-TaSe2太赫兹探测器

2．1二维过渡金属硫化物材料性质研究

2．2实验方案

2．2．1实验方案设计

2．2．2实验仪器

2．3器件制备与结果分析

2．3．2对数天线2H-TaSe2两端室温太赫兹探测器性能探究

2．3．3具有顶栅的2H-TaSe2三端太赫兹探测器制备及性能探究

2．3．4石墨烯—2H-TaSe2异质结太赫兹探测器性能探究

2．4本章小结

第三章2H-TaSe2低温太赫兹光电探测器

3．1基于蝴蝶型天线的低温2H-TaSe2探测器的制备

3．2基于蝴蝶型天线低温2H-TaSe2探测器的结果分析

3．3本章小结

第四章2H-TaSe2太赫兹探测器连续波成像研究

4．1光学平台的搭建

4．2 2H-TaSe2太赫兹探测器成像结果及分析

4．3本章小结

第五章总结与展望

5．1总结

5．2展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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