阅读说明：本技术 一种新型太赫兹辐射源的实现方法 (A kind of implementation method in novel terahertz emission source ) 是由 王振宇 江天 童明玉 胡瑜泽 谢向男 孙豪 何伟宝 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型太赫兹辐射源的实现方法,包含了材料制备的方法和测试的方法,包括以下步骤：S1：首先将双面或者单面抛光的衬底传入超高真空MBE腔内；S2：然后在超高真空MBE腔内对衬底进行加热除气；S3：通过控制镁(Mg)源和铋(Bi)源的温度调节两个蒸发源的束流大小,进而调控蒸发到衬底上Mg源和Bi源的比例；S4：Mg源和Bi源同时在衬底上沉积并化合得到单晶Mg<Sub>3</Sub>Bi<Sub>2</Sub>薄膜；S5：待衬底温度降至室温后,在Mg<Sub>3</Sub>Bi<Sub>2</Sub>单晶薄膜上覆盖一层非晶硒(Se)膜以防止Mg<Sub>3</Sub>Bi<Sub>2</Sub>氧化；S6：利用光泵浦太赫兹探测系统对Mg<Sub>3</Sub>Bi<Sub>2</Sub>单晶薄膜进行太赫兹辐射表征。本发明操作简单,单晶薄膜质量高,可重复性强,对单晶薄膜材料的生长以及太赫兹辐射源的生成可以提供有效的技术指导。(The invention discloses a kind of implementation methods in novel terahertz emission source, contain the method for material preparation and the method for test, comprising the following steps: S1: it is intracavitary that two-sided or single-sided polishing substrate is passed to ultrahigh vacuum MBE first；S2: and then heating degasification is carried out to substrate ultrahigh vacuum MBE is intracavitary；S3: the line size of two evaporation sources is adjusted by the temperature in the control magnesium source (Mg) and the source bismuth (Bi), and then regulates and controls to be evaporated to the ratio in the source Mg and the source Bi on substrate；Simultaneously chemical combination obtains monocrystalline Mg to deposition on substrate simultaneously for the source S4:Mg and the source Bi 3 Bi 2 Film；S5: being cooled to room temperature to underlayer temperature, in Mg 3 Bi 2 One layer of amorphous selenium (Se) film is covered on monocrystal thin films to prevent Mg 3 Bi 2 Oxidation；S6: using optical pumping terahertz detection system to Mg 3 Bi 2 Monocrystal thin films carry out terahertz emission characterization.Operation of the present invention is simple, and monocrystal thin films quality is high, and repeatability is strong, and the generation of growth and terahertz emission source to monocrystal thin films material can provide effective technological guidance.)

一种新型太赫兹辐射源的实现方法

技术领域

本发明涉及太赫兹功能材料领域，尤其涉及一种新型太赫兹辐射源的实现方法。

背景技术

太赫兹(terahertz，THz)波是电磁波谱中位于0.1THz-10THz频段中的电磁波，对应波长在30-3000μm，也被称为亚毫米波。该频段具有很多独特的性质，比如较低的光子能量(0.4-40meV)，对非极性材料具有很强的透过率，与较多大分子物质的振动和转动能量处在同一波段，被水强吸收等。基于这些性质，太赫兹波在医学成像、无损检测、波普分析、空间通信以及安全检查等多个领域具有广阔的应用前景。高效的太赫兹辐射源是太赫兹技术走向应用的关键。太赫兹辐射产生的方法有很多，基于电子学技术的返波管、固态倍频源等，工作在1THz以下并向高频方向延伸，输出功率通常在微瓦到毫瓦量级；基于光子学技术的量子级联激光器、自由电子激光器等，工作频率向低频方向延伸，输出功率较大；以及基于超快激光技术的超快光电导器件等，工作频率在1THz附近并同时向高频和低频发展，具有脉宽窄、峰值功率高等优点，但存在能量转换效率和平均输出功率低的问题。因此，探索一种能够同时满足室温工作、高输出功率、连续可协调和小型化的新型辐射源成为当前太赫兹领域的重要发展目标。

探索新型的太赫兹辐射源，除了提高现有材料的太赫兹辐射强度，还需要不断研究新材料的太赫兹辐射特性，寻找新材料作为太赫兹辐射源；Mg₃Bi₂是一种新型的拓扑节线半金属(NLS)材料，这是一种新型的拓扑固态相，由两条能带相交形成一维闭合环或线简并，并且两条能带在其沿环的径向倾斜方向上具有相同的符号；与传统节线环路相比，这可能导致不同的磁性、光学和传输特性；由于具有时间反演对称性，其表面态有两条闭合电子散射路径，一条路径在穿过单个Dirac锥时产生了大小为Π的Berry相位，并与另一条路径产生了破坏性的量子干涉，从而提高Mg₃Bi₂的导电性，使其具有半金属特性；之前对Mg₃Bi₂的研究主要集中在其良好的热电性能上，目前尚未见到关于其在太赫兹波相关的研究报道，为此，提出一种将新型拓扑节线半金属Mg₃Bi₂单晶薄膜应用到太赫兹辐射源的实现方法。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种新型太赫兹辐射源的实现方法。

本发明提出的新型太赫兹辐射源的实现方法，包含了材料制备的方法和测试的方法，包括以下步骤：

S1：首先将双面或者双面抛光的衬底传入超高真空MBE腔内；

S2：然后在超高真空MBE腔内对衬底进行加热除气；

S3：通过控制镁(Mg)源和铋(Bi)源的温度调节两个蒸发源的束流大小，进而调控蒸发到衬底上Mg源和Bi源的比例；

S4：Mg源和Bi源同时在衬底上沉积并化合得到Mg₃Bi₂单晶薄膜；

S5：待衬底温度降至室温后，在Mg₃Bi₂薄膜上覆盖一层非晶硒(Se)膜以防止Mg₃Bi₂氧化的保护层；

S6：利用光泵浦太赫兹探测系统对Mg₃Bi₂薄膜进行太赫兹辐射表征。

优选的，所述S1中衬底可以为蓝宝石、石英、玻璃等对THz波透过的绝缘体。

优选的，所述S2中加热是通过间接加热的方式，除气时间为2h。

优选的，所述S3中蒸发源的温度可以在一定范围内变动，如Mg在300至600℃范围内，Bi在400-700℃范围内，且Mg源和Bi源的束流比大于3：2，衬底的生长温度可以在250℃-450℃范围内变动。

优选的，所述S5中覆盖的保护层还可以是Bi、Te、Al2O3、SiO2等对THz波透过且能起到隔绝空气作用的保护层。

优选的，所述S6中Mg₃Bi₂薄膜具有光泵浦辐射太赫兹波的特性，并可做成THz辐射源及其他相关器件。

优选的，将上述Mg₃Bi₂单晶薄膜应用于太赫兹探测中。

本发明的有益效果：在生长时，将Mg和Bi的蒸发源按照特定的束流比升高温度，使Mg和Bi的原子或分子同时沉积在特定温度的蓝宝石衬底上，并覆盖一层Se的保护层；该拓扑节线半金属具有新型的拓扑表面态，由于时间反演对称性，表面态上两条闭合的电子散射路径，一条穿过单个Dirac锥时产生大小为Π的Berry相位，同时与另一条路径产生破坏性的量子干涉，提高了Mg₃Bi₂的导电性，赋予了Mg₃Bi₂的半金属特性；因此，在受到光泵浦时，短时间内可以产生较大的瞬态光电流，从而在室温下即可测到较强的太赫兹辐射信号，本发明操作简单，单晶薄膜质量高，可重复性强，对单晶薄膜材料的生长以及太赫兹辐射源的生成可以提供有效的技术指导。

附图说明

图1为本发明实施例中高温除气后蓝宝石衬底的反射式高能电子衍射图。

图2为本发明实施例中制得的高质量Mg₃Bi₂薄膜的反射式高能电子衍射图。

图3为本发明实施例中覆盖Se膜后Mg₃Bi₂薄膜的反射式高能电子衍射图。

图4为本发明实施例中覆盖Se膜后Mg₃Bi₂薄膜的X射线衍射图谱。

图5为本发明实施例中覆盖Se层的Mg₃Bi₂薄膜在不同功率密度下的光泵浦太赫兹辐射信号。

图6为本发明实施例5中覆盖Se层的Mg₃Bi₂薄膜在不同功率密度下的光泵浦太赫兹辐射信号经过傅里叶变换之后的频谱图。

图7为本发明实施例中覆盖Se层的Mg₃Bi₂薄膜的太赫兹辐射的最高信号强度与泵浦光功率密度的线性关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

实施例

本实施例中提出了新型太赫兹辐射源的实现方法，包含了材料的制备方法和测试的方法，包括以下步骤：

S1：首先先将晶面方向为(0001)，尺寸大小为5mm*10mm*0.5mm，并且双面或者单面抛光的Al₂O₃衬底传入超高真空MBE腔内，要求真空好于2.0×10-10mBar；

S2：通过MBE腔内以间接加热的方式使Al₂O₃衬底在700℃左右，直到系统恢复至背底真空，以彻底除去表面吸附的水汽以及有机物；

S3：将Mg蒸发源温度设置为400℃，Bi源温度设置为580℃，控制Mg源与Bi源的束流比略大于3：2。衬底以间接加热的方式将衬底温度稳定在350℃左右。蒸发源与衬底加热至稳定所需时间约为20-30分钟；

S4：先打开Mg蒸发源与Bi蒸发源的挡板开关，在打开衬底挡板的同时开始计时，控制样品生长时间为30min。生长结束后，关闭Mg、Bi蒸发源及衬底挡板，并将其温度降至室温；

S5：将Se蒸发源温度设置为170℃，待蒸发源温度升至指定温度，并且衬底温度降至室温，在Mg₃Bi₂薄膜上沉积一层非晶Se膜，沉积时间为5分钟，可以阻止空气中的氧气和水分与Mg₃Bi₂薄膜接触；

S6：利用光泵浦太赫兹探测(OPTP)系统对Mg₃Bi₂薄膜进行了太赫兹辐射的表征。利用再生放大器系统，提供了一个1KHz的重复光学激光脉冲，中心波长为800nm，脉冲宽度100fs(半高全宽)。OPTP设备的单个脉冲的能量恒定为6mJ。在Mg₃Bi₂薄膜太赫兹辐射的激发上，光泵浦采用分束后的800nm激光束，光斑直径为5mm，保证了Mg₃Bi₂薄膜均匀的光激发。THz的检测是基于一个1mm厚的非线性晶体(ZnTe)。在一定的时间窗口内，检测光通过延迟线的运动记录THz的时域波形。

所述S2中除气时间为2h。

本实施例中可将Mg₃Bi₂单晶薄膜应用于太赫兹辐射源器件及其他相关器件中。

在生长时，将Mg和Bi的蒸发源按照特定的束流比升高温度，使Mg和Bi的原子或分子同时沉积在特定温度的蓝宝石衬底上，并覆盖一层Se的保护层；该拓扑节线半金属具有新型的拓扑表面态，由于时间反演对称性，表面态上两条闭合的电子散射路径，一条穿过单个Dirac锥时产生大小为Π的Berry相位，同时与另一条路径产生破坏性的量子干涉，提高了Mg₃Bi₂的导电性，赋予了Mg₃Bi₂的半金属特性；因此，在受到光泵浦时，短时间内可以产生较大的瞬态光电流，从而在室温下即可测到较强的太赫兹辐射信号。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，在上述实例说明的基础上还可以做出若干形式上的改进和修饰。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的改变和修饰仍处于本发明的保护范围之列。