低维量子结构的红外—太赫兹光电器件研究

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1、博士学位论文低维量子结构的红外-太赫兹光电器件研究作者姓名：唐伟伟指导教师:陈效双研究员中国科学院上海技术物理研究所王林副研究员中国科学院上海技术物理研究所学位类别:理学博士学科专业:微电子学与固体电子学培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以

2、明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解中国科学院大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此

3、规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日TheStudyofInfraredandTerahertzPhotoelectricdevicesBasedonLow-DimensionalQuantumStructuresAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofMicroelectronicsandSolidElectronics

4、ByWeiweiTangSupervisor:ProfessorXiaoshuangChenandLinWangShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciencesJune2018摘要摘要低维纳米材料是材料在三维空间中至少有一维介于0.1nm-100nm之间，如石墨烯、量子点、碳纳米管、纳米线等。由于在受限方向上的尺度与电子的平均自由程等量子特征长度可比拟，所以常常会表现出一些独特的、优异的性能，因此在诸多领域中都获得了蓬勃的发展。电磁超材料是一种由亚波长结

5、构单元周期性排列组成的人工复合材料，其电磁性质除了依赖于组成超材料的结构单元的材料属性外，还依赖于单元的几何形状和尺寸。因此，其电磁性质可以通过人工设计进行调谐，并通过微纳加工得以实现，从而实现对电磁场的调控。太赫兹波由于其独特的物理性质，在生物、医学、天文、军事等领域掀起了广泛的研究热潮，相应的太赫兹器件的研究如太赫兹源、太赫兹调制器、太赫兹探测器也层出不穷。随着光刻、蒸镀、刻蚀等半导体微纳加工技术的发展，为低维量子结构太赫兹和红外光电器件的研究提供了可能。本论文主要研究了基于低维量子结构的红外-太赫兹光电探测器件，其中包

6、括：基于石墨烯超材料的太赫兹调制器，基于拓扑绝缘体Bi2Se3的太赫兹探测器，基于导模共振集成量子阱红外探测器以及基于二硫化钼的可见-近红外探测器，具体内容包括：1.为实现主动调谐的太赫兹调制器件，构建了石墨烯与超材料集成的复合结构，通过调节石墨烯的费米能级改变其电磁响应，在太赫兹波段得到了一系列的调制频率和调制幅度，在两个偏振方向上的频率调制可达60%以上，幅度调制98%以上，这种对太赫兹波的主动调制，在太赫兹波整形以及波分复用系统中有着重要的应用。另外，通过在石墨烯超材料中引入对称性破缺，可以在两个偏振方向上实现电磁诱导

7、透明，在透明窗口处，群折射率分别可达1200和2000以上，实现了很强的慢光效应，极大的促进了石墨烯材料与入射太赫兹波的相互作用。除此之外，我们建立了耦合谐振子模型分析了该电磁诱导透明现象的产生机理。2.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拓扑绝缘体的太赫兹探测器件。利用机械剥离的方法将Bi2Se3转移到Si/SiO2衬底上，采用紫外光刻和电子束蒸镀工艺制备了Cr/Au人工微纳结构和源漏电极，构建了金属-I低维量子结构的红外-太赫兹光电器件研究拓扑绝缘体（Bi2Se3）-金属结构的两端器件（MTM）。当入射

8、光照射到拓扑绝缘体时，拓扑绝缘体表面态的电子与太赫兹辐射相互作用发生不对称性散射，从而在光伏条件下产生太赫兹响应。人工微纳结构的作用是耦合自由空间中入射的太赫兹波，增强电磁波与拓扑绝缘体电子态的相互作用，在光伏条件下，太赫兹波的响应率可达75A/W，响应速度60s，该器件的响应率可以通过