阅读说明：本技术 硒化镓/二硫化锡异质结膜电控太赫兹强度调制器件 (Gallium selenide/tin disulfide heterojunction film electric control terahertz intensity modulation device ) 是由 柴路 刘伟宁 宋琦 陈骏祺 胡明列 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明属于太赫兹技术领域领域,为调制器件结构简单,调制度大,灵敏度高。为此,本发明采取的技术方案是,硒化镓/二硫化锡异质结膜电控太赫兹强度调制器件,包括GaSe/SnS<Sub>2</Sub>异质结膜、附加电极、主动控制直流电源、线性偏振的THz源,线性偏振的THz源生成的太赫兹波入射到GaSe/SnS<Sub>2</Sub>异质结薄膜,GaSe/SnS<Sub>2</Sub>异质结膜为在硅酸盐玻璃衬底上采用液相剥离方法或者化学气相沉积CVD方法制备,形成单分子层或者少分子层的结构；主动控制直流电源通过附加电极,以垂直于太赫兹波偏振方向对GaSe/SnS<Sub>2</Sub>异质结薄膜施加调制电压。本发明主要应用于太赫兹强度调制器件设计制造场合。(The invention belongs to the technical field of terahertz, and provides a modulation device which is simple in structure, large in modulation degree and high in sensitivity. Therefore, the technical scheme adopted by the invention is that the gallium selenide/tin disulfide heterojunction film electric control terahertz intensity modulation device comprises GaSe/SnS 2 The terahertz waves generated by the linearly polarized THz source are incident to the GaSe/SnS 2 Heterojunction thin film, GaSe/SnS 2 The heterojunction film is prepared on a silicate glass substrate by adopting a liquid phase stripping method or a Chemical Vapor Deposition (CVD) method to form a monomolecular layer or a small molecular layer structure; actively controlling a direct current power supply to couple GaSe/SnS in a direction vertical to the polarization direction of the terahertz waves through an additional electrode 2 The heterojunction film applies a modulating voltage. The terahertz intensity modulation device is mainly applied to the design and manufacturing occasions of terahertz intensity modulation devices.)

硒化镓/二硫化锡异质结膜电控太赫兹强度调制器件

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域领域，涉及硒化镓/二硫化锡异质结膜电控太赫兹强度调制器件。

背景技术

太赫兹波是一种波长介于毫米波段与近红外波段的电磁波，频率从0.1THz-10THz[1]。与其他波段的电磁辐射相比，太赫兹波具备着许多优良的性质，如：瞬态性，即太赫兹脉冲宽度在亚皮秒量级，可用于亚皮秒，甚至飞秒时间分辨的瞬态光谱研究；穿透性高，可用于安检与反恐；低损害性，即辐射光子能量低，多用于生物无损检测；指纹谱特性，即大多极性分子的振动和转动能级处于太赫兹波段，故可用于物质的表征[2-4]。

在太赫兹调制器件研发方面，目前主要分为被动器件和主动器件。被动器件主要是由常规材料或人造超材料构成，如：透镜、分束镜、光栅和偏振器件等[5-7]；主动器件主要由具有特殊敏感响应的材料，比如：压电、电光、声光、磁光、相变等材料，或者基于上述可控的材料与人造超材料相结合，再通过外加电场、光场、磁场、热场来主动调控太赫兹波的透过或反射的特征参量[8-10]。

近几年来，二维材料作为一种类石墨烯半导体材料，在光电领域的应用被广泛重视和研究，其作用波长范围可覆盖太赫兹波段(0.1-1THz)，可实现宽谱范围调制，这使得基于二维材料的太赫兹调制器的研制和应用成为可能[11]。

范德瓦尔斯异质结构(van der Waals heterostructure)是指将两种不同类型(n型和p型)半导体二维材料相交，从而形成新的分子键连结的p-n结结构。这种结构不但可以结合两种材料的各自的光电特性，还会产生很多新的物理或者化学特性[12]。如果这种异质结是由两层单质膜在垂直方向通过范德华力连接在一起形成的p-n结层，就形成了异质结膜。在这种异质结膜中，由于异质结电场的存在，增加了光电响应的灵敏度，因此特别适合作为光电调制器件。本发明是基于硒化镓/二硫化锡(GaSe/SnS₂)异质结膜的电控太赫兹强度调制器件。

参考文献：

[1]Ferguson B,Zhang X C.Materials for terahertz science andtechnology[J].Nature materials,2002,1(1):26.

[2]Grischkowsky D,van Exter M.Characterization of an optoelectronicterahertz beam system[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,1990,38:1684-1691.

[3]Mickan S,Abbott D,Munch J,et al.Analysis of system trade-offs forterahertz imaging[J].Microelectronics Journal,2000,31(7):503-514.

[4]Kawase K,Ogawa Y,Watanabe Y,et al.Non-destructive terahertzimaging of illicit drugs using spectral fingerprints[J].Optics express,2003,11(20):2549-2554.

[5]Scherger B,Scheller M,Jansen C,et al.Terahertz lenses made bycompression molding of micropowders,Appl.Opt.,2011,50(15):2256-2262.

[6]Berry C.W.and Jarrahi M.,Broadband terahertz polarizing beamsplitter on a Polymer Substrate,J Infrared Milli Terahz Waves,2012,33:127-130.

[7]Gan Qiaoqiang,Fu Zhan,Ding Yujie et al.,Ultrawide-bandwidth slow-light system based on THz plasmonic graded metallic grating structures,Phys.Rev.Lett.,2008,100:256803.

[8]Minah Seo,Jisoo Kyoung,,Hyeongryeol Park et al.,Active terahertznanoantennas based on VO 2phase transition,Nano Lett.,2010,10:2064–2068.

[9]Jianqiang Gu,Ranjan singh,Xiaojun Liu,et al.,Active control ofelectromagnetically induced transparency analogue in terahertz metamaterials,2012,Nat.Commun.3:1151

[10]Oliver Paul,Christian Imhof,Bertet al.,Polarization-independent active metamaterial for high-frequency terahertz modulation,2008,Opt.Express,2008,17(2):819-827.

[11]Liu.L,Park J,Siegel.D.A,McCarty.K.F,et al.Heteroepitaxial Growthof Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride Templated by Graphene Edges[J].Science,2014,343(6167),163-167

[12]Novoselov K S,Mishchenko A,Carvalho A,et al.2D materials and vander Waals heterostructures[J].Science,2016,353(6298):aac9439。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种在GaSe/SnS₂异质结膜上加入外加电场实现主动控制的太赫兹强度调制器件。该调制器件结构简单，调制度大，灵敏度高。为此，本发明采取的技术方案是，硒化镓/二硫化锡异质结膜电控太赫兹强度调制器件，包括GaSe/SnS₂异质结膜、附加电极、主动控制直流电源、线性偏振的THz源，线性偏振的THz源生成的太赫兹波入射到GaSe/SnS₂异质结薄膜，GaSe/SnS₂异质结膜为在硅酸盐玻璃衬底上采用液相剥离方法或者化学气相沉积CVD方法制备，形成单分子层或者少分子层的结构；主动控制直流电源通过附加电极，以垂直于太赫兹波偏振方向对GaSe/SnS₂异质结薄膜施加调制电压。

所述的附加电极材料为掺锡氧化铟、金或银。

所述的主动控制直流电源为可编程直流电源，在附加电极之间施加电控所需的直流电压与任意波形。

本发明的特点及有益效果是：

目前用于太赫兹波段的强度调制器件，主要分为金属网栅、碳纳米管、人工超材料几种。前两种器件属于被动器件，不能进行主动调控，而人工超材料尽管原理上可以任意设计，但是实际上是一种设计就是一种功能，而且仅对特定(设计)波长才可行，不能实现宽带调制。此外，需要光刻及腐蚀工艺，过程复杂，成本很高，特别是制备后特别是尺寸太小，不易大面积应用。还有，超材料多为金属材料和电介质材料，因此主动调制多采用温控、电控和磁控，但调制度和调谐范围有限。基于二维材料的光电器件是具有发展前途的一类高灵敏度器件，本发明的基于GaSe/SnS₂异质结膜的电控太赫兹强度调制器件的技术特点和效果如下：(1)GaSe/SnS₂异质结膜的制备采用液相剥离方法或者化学气相沉积(CVD)方法，制备相对简单，通用性和普及性高；(2)GaSe/SnS₂异质结膜属于单分子层或少分子层状态，上下层之间由弱的范德瓦尔斯力束缚；(3)在该异质结膜的侧向施加电压不仅可以增加分子膜层的各项异性，而且对异质结附加内电场实施了调控，这明显改变了异质结处的光生载流子的密度和迁移率，从而增加对透过光场强度的调制度；(4)调控电压源选用可编程直流电压源，可以设计编程实现正反向的任意波形和振幅的调制电压信号，可以实现强度信号任意调控；(5)这种调制器件属于宽带调制器，在可见光至太赫兹波段都可以实现调制作用。

附图说明：

图1为本发明的实验原理图。

所采用的器件包括1.飞秒激光泵浦源，2.太赫兹波产生晶体，3.抛物面镜对，4.GaSe/SnS₂异质结膜，5.太赫兹探测器，6.可编程直流电源。

图2为施加直流电压后，该发明器件对透过太赫兹波强度调制度的效果图。

具体实施方式

本发明提出一种在GaSe/SnS₂异质结膜上加入外加电场实现主动控制的太赫兹强度调制器件。该调制器件结构简单，通过侧向电极施加可变电压，从而增加GaSe/SnS₂异质结薄膜中载流子迁移率和密度的改变，以及异质结膜的各向异性。通过控制外加电压实现对于透过偏振太赫兹波强度的主动调制，调制度大，灵敏度高。本发明采取的技术方案是，基于GaSe/SnS₂异质结薄膜的电控太赫兹强度调制器件，包括：GaSe/SnS₂异质结膜、附加电极、主动控制直流电源、线性偏振的THz源和太赫兹探测器。

所述的GaSe/SnS₂异质结膜为在硅酸盐玻璃衬底上采用液相剥离方法或者化学气相沉积CVD方法制备，形成单分子层或者少分子层的结构。

所述的附加电极材料为掺锡氧化铟、金或银，施加电极方向与太赫兹波偏振方向垂直。

所述的主动控制直流电源为可编程直流电源，在附加电极之间施加电控所需的直流电压与任意波形；

所述的线性偏振太赫兹源为任意太赫兹发射器经过太赫兹偏振器进行输出。

所述的太赫兹探测器为太赫兹功率探测器与太赫兹时域频谱仪，用于检测经过GaSe/SnS₂异质结薄膜电压调制后的太赫兹波强度、电场振幅和频谱。

本发明是通过下述技术方案实现的，一种基于GaSe/SnS₂异质结膜的电控太赫兹强度调制器件，该器件及实验装置包括：飞秒激光泵浦源1，其输出脉冲经过太赫兹波产生晶体2，后经过抛物面镜对3的扩束、准直和聚焦，入射到GaSe/SnS₂异质结薄膜4，通过可编程直流电源6在4上施加调制电压，调制后的太赫兹波由太赫兹探测器5进行功率或电场强度测量。其装置实验示意图如附图1，在太赫兹波段的电控强度调制实施效果如图2。

上述的GaSe/SnS₂异质结膜4采用液相剥离方法或者化学气相沉积(CVD)方法制备，具有单异质结层或少异质结层(2-10层)，并在与太赫兹波偏振方向垂直方向上采用沉积法或者嵌入法加入电极，电极尺寸为：长10mm×宽5mm×厚0.06mm，电极间隔为5mm。

上述的可编程直流电源6为商用产品或者模块化集成的直流电源，可以输出任意所需波形和正负电压，满足对GaSe/SnS₂异质结膜4的主动调制。

上述的飞秒激光泵浦源1为现有技术产生的飞秒激光器。

上述的太赫兹产生晶体2为现有商用电光晶体产品。

上述的抛物面镜对3由一对金属离轴抛物面镜构成。

上述的太赫兹探测器5为商用Golay-cell和太赫兹时域频谱仪，分别用于对太赫兹波功率和电场强度(频谱)测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。