基于二维电荷密度波材料1T-TaS2的太赫兹探测器研究

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太赫兹波是电磁频谱中非常重要的电磁波频段,在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息技术和国防科技等各个领域具有重要的应用前景。长期以来,由于缺乏有效的太赫兹产生和探测手段,导致人们对太赫兹波特性缺乏了解,形成了所谓的“太赫兹空白”。太赫兹探测器是太赫兹探测系统的核心组件,其功能是将太赫兹信号转换成电信号,从而检测到太赫兹波的信息。探索具有高灵敏度,宽谱响应,快速响应的室温太赫兹探测器是太赫兹探测技术发展的长期目标。近些年来,随着石墨烯,黑磷,过渡族金属硫化物(TMDCs)等二维材料的兴起,为探索新型光电探测器提供了无限可能。二维TMDCs材料1T-Ta S2中的电荷密度波(CDW)集体电子态具有良好的电光调控特性,利用外加平面电压和光辐射可以实现不同CDW相的切换,在相变过程中的电导跃变有望实现光电探测的响应增强。基于此,我们探索了在外加平面电压下太赫兹波诱导1T-Ta S2的近公度电荷密度波(NCCDW)和非公度电荷密度波(ICCDW)相变在室温太赫兹探测方面的应用。利用紫外光刻、金属镀膜等微纳器件加工技术构建了蝶形天线耦合的两端1T-Ta S2太赫兹探测器。在0.3THz频段的光电流测试中,1T-Ta S2太赫兹探测器实现了180 A/W的室温电流响应率。太赫兹光响应测试结果表明1T-Ta S2 CDW体系对于太赫兹光具有高度的敏感性,在相变阈值电压附近响应的增强来自于太赫兹波诱导的NCCDW-ICCDW相变切换。此外针对单一组分1T-Ta S2探测器在无偏置电压下响应度弱的问题,我们提出构建异质结来改善探测器性能的方案。通过二维材料转移技术构建了1T-Ta S2/石墨烯范德瓦尔斯异质结太赫兹探测器,并实现了无偏置电压下的响应增强,结果表明构建异质结是改善二维材料太赫兹探测器性能的有效方案。最后利用搭建的太赫兹成像系统,我们用1T-Ta S2/石墨烯异质结探测器对不同物品进行了太赫兹成像应用,并获得了良好的成像结果。总之我们的研究表明1T-Ta S2及其异质结探测具有良好的发展前景,在探索非制冷,高灵敏的太赫兹探测器方面具有重要的探索价值。
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