obiecte
abstract
Semi-metalele ar putea oferi o interacțiune mai puternică și o legătură mai bună pentru lână terahertz decât semiconductorii, menținând în același timp tunabilitatea. În special, materialele pe bază de grafen sunt prezentate ca modulatori terahertz, filtre și surse de bandă ultra-largă. Cu toate acestea, înțelegerea generării terahertzului din aceste materiale este încă neclară, limitând recunoașterea potențială și îmbunătățind performanța echipamentelor. Grafitul, materialul părinte al grafenului și al semi-metalelor tipice, este un sistem bun pentru studierea materialelor pe bază de grafen și semi-metale. Aici modulăm și maximizăm experimental semnalul terahertz de pe suprafața grafitului, dezvăluind astfel mecanismul - câmpul de suprafață care conduce fotonii induși de purtător în curentul tranzitor pentru a emite o undă terahertz. De asemenea, discutăm diferențele dintre grafit și semiconductori; în special grafitul arată o dependență de temperatură foarte slabă a temperaturii camerei de până la 80 ° C. Cunoștințele de mai sus ne vor ajuta să înțelegem generațiile de terahertz, să obținem performanțe maxime și modulație electrică în dispozitivele semi-metalice sau grafen.
Grafitul, materialul părinte al grafenului și al semi-metalelor tipice, poate fi un sistem exemplar pentru a studia formarea THz din materiale legate de grafen sau semi-metale în general. Într-un sens, înțelegerea procesului în grafit este la fel de importantă sau mai importantă decât în grafen, deoarece mecanismul de generare în grafit este un ordin de mărime mai puternic decât în grafen. Când numărul straturilor de stivuire a grafenului ajunge la câteva zeci, credem că se va comporta ca grafit în termeni de generație THz. Generarea grafitului din terahertz a fost observată pentru prima dată de G. Ramakrishan și colab. în 2009 și a fost atribuită unui fotocurent tranzitoriu într-o direcție perpendiculară pe planul bazal 33. M. Irfan și colab. afirmă că semnalele THz de la două tipuri diferite de probe de grafit cu dopaj opus au avut faza opusă 34. O descriere fenomenologică a rectificării optice neliniare (ordinul doi sau al treilea) 33, 35 este utilizată pentru a explica rezultatele experimentale. Cu toate acestea, pe măsură ce transportatorii devin tranzitori și detaliile mecanismului sunt încă fără răspuns.
Aici vă prezentăm modulația și maximizarea impulsurilor terahertz emise din grafit precomprimat solicitat. Rezultatul nostru demonstrează în mod clar natura fizică a generației THz în grafit, câmpul de suprafață care conduce fotonii induși de purtător într-un curent tranzitoriu pentru a emite o undă THz. De asemenea, efectuăm simulări ab initio pentru a verifica efectul câmpului de intrare asupra grafitului. Rezultatul calculului sprijină modulația de gating și comportamentul de saturație observat din experimentul nostru. De asemenea, susține cantitativ că diferența de amplitudine a amplitudinii THz între tensiunea pozitivă și negativă a porții este rezultatul unei diferențe de masă eficiente între electroni și orificii având un raport de aproximativ 2, 3. Comparativ cu generarea de semiconductori THz, grafitul prezintă diferențe: saturație de amplitudine mai rapidă pentru câmpul de reglare a suprafeței și dependență de temperatură foarte slabă. Toate aceste două diferențe sunt rezultatul unei densități mult mai mari de suport gratuit în grafit, semi-metalic, decât semiconductorii. Această lucrare nu numai că ne ajută să înțelegem fizica generațiilor THz în dispozitive semi-metalice în vrac sau pe bază de grafen, dar demonstrează, de asemenea, capacitatea de modulație electrică și maximizarea semnalului în dispozitivele semi-metalice de generație THz.
Rezultatul
Setare generare THz modulată electric
FIG. 1a arată o schiță (vedere laterală) a unui eșantion de grafit și o configurație experimentală. Eșantionul de grafit este grafit pirolitic ZYA de înaltă calitate (HOPG) care măsoară 12 x 12 x 2 mm3 de la Structure Probe Inc. Înainte de a măsura emisiile de THz, a fost pregătită o suprafață plană proaspătă prin decojire mecanică. O poartă ionică de sus a fost creată pentru aplicarea unui câmp electric reglabil normal și pe suprafața grafitului. Keithley 2400 este utilizat ca sursă de tensiune a porții (Vg) și, de asemenea, monitorizează curentul porții. Foaia de aluminiu susține și conectează partea din spate a grafitului la electrodul negativ al sursei porții. Inelul de folie adezivă de cupru acționează ca un electrod de tensiune pozitivă a porții, este separat de un strat de bandă adezivă ofensivă de grafit și este legat de un gel de ioni 36 la suprafața superioară a grafitului. Capacitatea rezultată a dispozitivului este de aproximativ 1,3 μF. Găurile centrale ale foliei adezive de cupru și ale benzii ofensive sunt în pătrate de aproximativ 25 mm2 pentru a plasa gelul ionic și adresarea optică pe suprafața superioară a grafitului.
( A ) lumina laser incidentă (săgeata roșie) excită suprafața superioară a grafitului și radiația THz (săgeata albastră) este captată în direcția de reflecție. Metoda gelului ionic cu porți superioare (Vg) este setată pentru a modula câmpul de suprafață al grafitului. ( b ) Schița câmpului de suprafață și a potențialelor electrice ale grafitului la diferite Vg pentru un Vg pozitiv mare și ( c ) pentru un Vg negativ mare .
Imagine la dimensiune completă
Un laser liniar polarizat cu femtosecundă, care funcționează la o lungime de undă centrală de 800 nm, cu o frecvență de repetare de 80 MHz și o durată de impulsuri de 70 fs, a fost concentrat pe suprafața grafitului. Puterea laserului incident a fost de aproximativ 400 mW, unghiul de incidență a fost de 60 ° și diametrul petelor a fost de aproximativ 2 mm. Impulsurile THz radiate în direcția de reflecție au fost măsurate cu un cristal electro-optic ZnTe (110) și detectarea puterii laserului de 800 nm a fost de aproximativ 30 mW. Formele de undă THz măsurate și amplitudinile lor între vârfuri și vârfuri în funcție de tensiunea porții (Vg) sunt prezentate în FIG. 2. Datele spectrelor transformate sunt reprezentate grafic și descrise într-un fișier de informații suplimentare.
( A ) Curbe THz și ( b ) amplitudini vârf-la-vârf în funcție de tensiunea porții (Vg). În sub-imagine ( A ) reprezintă curbele diferitelor culori ale curbei THz de grafit sub diferite Vg (valorile corespunzătoare afișate în dreapta) în timpul scanării Vg în jos. La subpoziția ( b ) sunt punctele de date ale pătratului negru de la scanarea Vg în sus; punctele de date circulare roșii sunt de la scanare în jos.
Imagine la dimensiune completă
Modulația câmpului de suprafață
Parametri de simulare și rezultate
0, 3. În schimb, câmpul de pe straturile de sub primul strat crește mai întâi liniar cu câmpul exterior E ext până la 0,4 × 1010 V/m, apoi saturează rapid în jur de 0,02 × 10 10 V/m pentru | E ext ≥ 0,5 × 1010 V/m. Sub câmpul pozitiv (cu vectorul de câmp care părăsește suprafața de grafit), deși câmpul indus în al doilea strat încă crește, câmpul local din straturile de sub al doilea strat scade ușor odată cu creșterea câmpului extern după E ext ≥ 0,5 × 10 10 V/m.
A ) Câmp electric calculat sub suprafața grafitului și pe suprafață (introduceți imaginea) în funcție de câmpul electric extern. Calculul se face dintr-o simulare ab initio pentru 10 straturi de atomi de grafit. ( b ) Curba de dispersie electronică calculată (panoul superior) și masa efectivă (panoul inferior) al graficului în direcția Z (normală față de planul de la sol).
Imagine la dimensiune completă
Structura benzii calculate de-a lungul direcției KH (direcția Z, perpendiculară pe planul de bază) este prezentată în FIG. 3b. Am constatat că, pe lângă banda plană din jurul nivelului Fermi, există alte două benzi electronice dispersate care se separă prin
1, 4 eV la punctul K și sunt interconectate la nivelul Fermi la punctul H. Aceste două benzi provin din interacțiunea dintre straturile dintre orbitele pz ale straturilor de grafit, care sunt sensibile la distanța între straturi a grafitului. Am constatat că curbura ambelor benzi se schimbă dramatic, deoarece potențialul de electroni diferă de nivelul Fermi. Astfel, masa efectivă a electronilor/găurilor este calculată din curbura ambelor benzi folosind ecuația
Dependența de temperatură
De la stânga la dreapta, aceste curbe sunt suprafața de grafit emisă de undele THz la diferite temperaturi (reprezentate ca culori diferite) pentru V g = 0 V, V g = −3 V, V g = 3 V, resp. Culorile curbelor reprezintă temperaturile eșantionului, care sunt afișate în dreapta.
Imagine la dimensiune completă
discuţie
unde E este câmpul de suprafață și m * este masa efectivă a cvasiparticulei. Este rezonabil să presupunem că amplitudinea THz din grafit îndeplinește aceeași regulă și este proporțională
În cele din urmă, efectuăm modularea câmpului de suprafață și variația temperaturii semnalului THz emis de grafit. Rezultatul nostru demonstrează în mod clar mecanismul de generare THz, câmpul de suprafață conduce foto-purtătorii într-un curent tranzitor care emite o undă THz. De asemenea, efectuăm calcule ab initio pentru efectul screeningului câmpului și curbei de dispersie a electronilor în direcția Z a grafitului. Rezultatul teoretic susține puternic imaginea noastră fizică și arată că câmpul extern este ecranat pentru 2-3 straturi atomice de grafit. Amplitudinile de saturație THz ale tensiunilor pozitive și negative ale porții au un raport de 2, 3, deoarece masa efectivă a electronilor este de aproximativ 2,3 ori masa efectivă a găurilor în direcția Z (normală la planul de masă) a porții înalte grafit. În ciuda similitudinilor mecanismului semiconductor, grafitul are o saturație de amplitudine mai rapidă și nu este sensibil la temperatură în intervalul de temperatură al camerei de până la 80 ° C.
Mai multe detalii
Cum se citează acest articol: Voi, T. și colab. Mecanismul și modularea generării de terahertz din grafit semimetric. Știință. reprezentant. 6, 22798; doi: 10.1038/srep22798 (2016).
Informatii suplimentare
Documente Word
Informatii suplimentare
Comentarii
Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă considerați că acesta este un act ofensator care nu este conform cu termenii sau liniile directoare, vă rugăm să îl marcați ca fiind inadecvat.