聊城大學張丙元教授團隊：基于PμSL的室溫下高性能3D螺旋微柱腔結構太赫茲探測器

來源： 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，是未來高速信息社會發(fā)展的關鍵。6G技術主要包括通信、傳感、物聯(lián)網(wǎng)、無損檢測和成像等主要領域。這些應用對太赫茲波檢測技術的靈敏度和面積提出了更高的要求。如何在室溫下實現(xiàn)對低功率密度太赫茲信號的高靈敏度響應一直是該領域的前沿研究熱點之一，具有重要的經(jīng)濟和社會意義。此外，器件加工過程的成本及可以大規(guī)模生產(chǎn)等問題也迫切需要解決。

近期，聊城大學的張丙元教授團隊聯(lián)合中電科15所周宇高級工程師、深圳大學張敏教授和深圳技術大學董波教授設計了一種新型亞波長的3D螺旋微柱腔結構陣列覆蓋外爾半金屬薄膜的太赫茲波探測器。該團隊利用新型微立體光刻技術(nanoArch S130，摩方精密) 實現(xiàn)了微結構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面積大的太赫茲波探測器。該制備方法成功解決了大面積的太赫茲探測器中探測性能不高問題，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構陣列制備的技術方案。利用該方法制成的太赫茲波探測器，在室溫下實現(xiàn)了探測靈敏度為7.9 A·W-1，等效噪聲功率0.9 pW·Hz-1/2  @ 0.1 THz的探測性能。在毫米級大面積探測器中效果較為理想。相關成果以“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物理科學與信息工程學院宋琦副教授。

圖1 器件的設計加工及表征。 (a)PμSL 3D打印裝置圖。(b) (c) 器件的側視圖和俯視圖 (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微結構、三維微腔和外爾半金屬薄膜的6G探測器。利用微柱陣列的局域表面等離子體效應增強光與物質(zhì)的相互作用。此外，三維結構產(chǎn)生的微腔增強了入射太赫茲場與材料相互作用。利用面投影微立體光刻3D打印技術結合薄膜磁控濺射，使該太赫茲檢測技術解決方案可重復、低成本、加工簡單，具有工業(yè)生產(chǎn)前景，促進了6G技術的發(fā)展。

該研究中，3D打印制造螺旋微柱陣列過程及記憶外爾半金屬層相關表征如圖1所示。器件的加工包含兩個主要步驟：(i)3D打印的螺旋微柱腔結構陣列，針對0.1 THz的入射頻率設計了合適的亞波長結構，引入局域表面等離子體效應（LSP）增強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MoTe2層(SEM切面表征厚度為2.13 μm)。團隊成員使用面投影微立體光刻技術(nanoArch S130, 摩方精密)完成器件的制備。實驗搭建了微電流測試的鎢鋼探針平臺來測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性能。

圖2器件在0.1THz下的探測性能

從圖2中可知，RA、NEP和D*在0.1 THz時不同電壓下的探測效果。螺旋微柱腔結構陣列的探測靈敏度RA為7.9 A·W-1，與MoTe2薄膜相比，有2倍以上的增強效果。在25 V的電壓下，微腔陣列和無結構的MoTe2薄膜的NEP分別為0.9 pW·Hz-1/2和8.9pW·Hz-1/2，此時，微腔的優(yōu)勢非常明顯。器件的NEP僅為Golay Cell的1/175 (140 pW·Hz-1/2)。D*達到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，結合3D打印螺旋微柱腔結構陣列的穩(wěn)定性、易加工性、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)前景和可重復性，面投影微立體光刻3D打印技術為推進6G技術發(fā)展具有一定價值。為了進一步說明器件的光響應性能。我們還設計了激光主動調(diào)制實驗。

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

器件的主動光調(diào)制結果如圖3所示，由螺旋微柱腔結構陣列引入的LSP和微腔增強兩部分優(yōu)勢，獲得到的主動調(diào)制深度為55%，是薄膜的4倍。光調(diào)制結果更進一步驗證了，亞波長三維微腔陣列可以顯著增強太赫茲波與器件之間的相互作用，是一種有效的可用于6G技術的太赫茲波器件的設計方案。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3278690