聊城大學(xué)張丙元教授團(tuán)隊(duì)：基于PμSL的室溫下高性能3D螺旋微柱腔結(jié)構(gòu)太赫茲探測(cè)器

來(lái)源： PuSL摩方高精密3D打印


太赫茲波通信具有廣頻資源、高數(shù)據(jù)傳輸能力、高干擾/攔截抗擾能力，是未來(lái)高速信息社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵。6G技術(shù)主要包括通信、傳感、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)損檢測(cè)和成像等主要領(lǐng)域。這些應(yīng)用對(duì)太赫茲波檢測(cè)技術(shù)的靈敏度和面積提出了更高的要求。如何在室溫下實(shí)現(xiàn)對(duì)低功率密度太赫茲信號(hào)的高靈敏度響應(yīng)一直是該領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)之一，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。此外，器件加工過(guò)程的成本及可以大規(guī)模生產(chǎn)等問(wèn)題也迫切需要解決。

近期，聊城大學(xué)的張丙元教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中電科15所周宇高級(jí)工程師、深圳大學(xué)張敏教授和深圳技術(shù)大學(xué)董波教授設(shè)計(jì)了一種新型亞波長(zhǎng)的3D螺旋微柱腔結(jié)構(gòu)陣列覆蓋外爾半金屬薄膜的太赫茲波探測(cè)器。該團(tuán)隊(duì)利用新型微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130，摩方精密) 實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)陣列的低成本高精度制備，并利用磁控濺射方法獲得了外爾半金屬薄膜，最終獲得具有高靈敏度、低等效噪聲功率和有效探測(cè)面積大的太赫茲波探測(cè)器。該制備方法成功解決了大面積的太赫茲探測(cè)器中探測(cè)性能不高問(wèn)題，此外提出了一種可用于6G波段的大規(guī)模低成本三維微腔結(jié)構(gòu)陣列制備的技術(shù)方案。利用該方法制成的太赫茲波探測(cè)器，在室溫下實(shí)現(xiàn)了探測(cè)靈敏度為7.9 A·W-1，等效噪聲功率0.9 pW·Hz-1/2  @ 0.1 THz的探測(cè)性能。在毫米級(jí)大面積探測(cè)器中效果較為理想。相關(guān)成果以“High sensitivity multiple micro-cavity enhanced 3D printed micro-stud array ultrafast response detector at 6G frequency”為題發(fā)表在《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊上。論文第一作者是聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院宋琦副教授。

圖1 器件的設(shè)計(jì)加工及表征。 (a)PμSL 3D打印裝置圖。(b) (c) 器件的側(cè)視圖和俯視圖 (d) MoTe2 薄膜的厚度。(e) (f) MoTe2薄膜的XPS 譜。

本文提出了一種基于亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)、三維微腔和外爾半金屬薄膜的6G探測(cè)器。利用微柱陣列的局域表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。此外，三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微腔增強(qiáng)了入射太赫茲場(chǎng)與材料相互作用。利用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)結(jié)合薄膜磁控濺射，使該太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)解決方案可重復(fù)、低成本、加工簡(jiǎn)單，具有工業(yè)生產(chǎn)前景，促進(jìn)了6G技術(shù)的發(fā)展。

該研究中，3D打印制造螺旋微柱陣列過(guò)程及記憶外爾半金屬層相關(guān)表征如圖1所示。器件的加工包含兩個(gè)主要步驟：(i)3D打印的螺旋微柱腔結(jié)構(gòu)陣列，針對(duì)0.1 THz的入射頻率設(shè)計(jì)了合適的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，引入局域表面等離子體效應(yīng)（LSP）增強(qiáng)入射太赫茲波與器件之間的相互作用; (ii)在制備好的器件上利用磁控濺射方法制備外爾半金屬M(fèi)oTe2層(SEM切面表征厚度為2.13 μm)。團(tuán)隊(duì)成員使用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130, 摩方精密)完成器件的制備。實(shí)驗(yàn)搭建了微電流測(cè)試的鎢鋼探針平臺(tái)來(lái)測(cè)試由太赫茲波入射而產(chǎn)生的亮暗電流變化，從而得到器件的探測(cè)性能。

圖2器件在0.1THz下的探測(cè)性能

從圖2中可知，RA、NEP和D*在0.1 THz時(shí)不同電壓下的探測(cè)效果。螺旋微柱腔結(jié)構(gòu)陣列的探測(cè)靈敏度RA為7.9 A·W-1，與MoTe2薄膜相比，有2倍以上的增強(qiáng)效果。在25 V的電壓下，微腔陣列和無(wú)結(jié)構(gòu)的MoTe2薄膜的NEP分別為0.9 pW·Hz-1/2和8.9pW·Hz-1/2，此時(shí)，微腔的優(yōu)勢(shì)非常明顯。器件的NEP僅為Golay Cell的1/175 (140 pW·Hz-1/2)。D*達(dá)到3×1010 cm·Hz1/2·W-1可以與商用的Bolometer比擬(1.9×1010 cm·Hz1/2W−1)[31]。綜上，結(jié)合3D打印螺旋微柱腔結(jié)構(gòu)陣列的穩(wěn)定性、易加工性、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)前景和可重復(fù)性，面投影微立體光刻3D打印技術(shù)為推進(jìn)6G技術(shù)發(fā)展具有一定價(jià)值。為了進(jìn)一步說(shuō)明器件的光響應(yīng)性能。我們還設(shè)計(jì)了激光主動(dòng)調(diào)制實(shí)驗(yàn)。

圖3器件的主動(dòng)光調(diào)制結(jié)果。(a)器件在不同入射光功率密度下的太赫茲時(shí)域信號(hào)。(b) 器件和外爾半金屬薄膜的主動(dòng)調(diào)制深度。

器件的主動(dòng)光調(diào)制結(jié)果如圖3所示，由螺旋微柱腔結(jié)構(gòu)陣列引入的LSP和微腔增強(qiáng)兩部分優(yōu)勢(shì)，獲得到的主動(dòng)調(diào)制深度為55%，是薄膜的4倍。光調(diào)制結(jié)果更進(jìn)一步驗(yàn)證了，亞波長(zhǎng)三維微腔陣列可以顯著增強(qiáng)太赫茲波與器件之間的相互作用，是一種有效的可用于6G技術(shù)的太赫茲波器件的設(shè)計(jì)方案。

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https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3278690