聊城大学张丙元教授团队：基于PμSL的室温下高性能3D螺旋微柱腔结构太赫兹探测器

来源： PuSL摩方高精密3D打印


太赫兹波通信具有广频资源、高数据传输能力、高干扰/拦截抗扰能力，是未来高速信息社会发展的关键。6G技术主要包括通信、传感、物联网、无损检测和成像等主要领域。这些应用对太赫兹波检测技术的灵敏度和面积提出了更高的要求。如何在室温下实现对低功率密度太赫兹信号的高灵敏度响应一直是该领域的前沿研究热点之一，具有重要的经济和社会意义。此外，器件加工过程的成本及可以大规模生产等问题也迫切需要解决。

近期，聊城大学的张丙元教授团队联合中电科15所周宇高级工程师、深圳大学张敏教授和深圳技术大学董波教授设计了一种新型亚波长的3D螺旋微柱腔结构阵列覆盖外尔半金属薄膜的太赫兹波探测器。该团队利用新型微立体光刻技术(nanoArch S130，摩方精密) 实现了微结构阵列的低成本高精度制备，并利用磁控溅射方法获得了外尔半金属薄膜，最终获得具有高灵敏度、低等效噪声功率和有效探测面积大的太赫兹波探测器。该制备方法成功解决了大面积的太赫兹探测器中探测性能不高问题，此外提出了一种可用于6G波段的大规模低成本三维微腔结构阵列制备的技术方案。利用该方法制成的太赫兹波探测器，在室温下实现了探测灵敏度为7.9 A·W-1，等效噪声功率0.9 pW·Hz-1/2  @ 0.1 THz的探测性能。在毫米级大面积探测器中效果较为理想。相关成果以“High sensitivity multiple micro-cavity enhanced 3D printed micro-stud array ultrafast response detector at 6G frequency”为题发表在《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊上。论文第一作者是聊城大学物理科学与信息工程学院宋琦副教授。

图1 器件的设计加工及表征。 (a)PμSL 3D打印装置图。(b) (c) 器件的侧视图和俯视图 (d) MoTe2 薄膜的厚度。(e) (f) MoTe2薄膜的XPS 谱。

本文提出了一种基于亚波长微结构、三维微腔和外尔半金属薄膜的6G探测器。利用微柱阵列的局域表面等离子体效应增强光与物质的相互作用。此外，三维结构产生的微腔增强了入射太赫兹场与材料相互作用。利用面投影微立体光刻3D打印技术结合薄膜磁控溅射，使该太赫兹检测技术解决方案可重复、低成本、加工简单，具有工业生产前景，促进了6G技术的发展。

该研究中，3D打印制造螺旋微柱阵列过程及记忆外尔半金属层相关表征如图1所示。器件的加工包含两个主要步骤：(i)3D打印的螺旋微柱腔结构阵列，针对0.1 THz的入射频率设计了合适的亚波长结构，引入局域表面等离子体效应（LSP）增强入射太赫兹波与器件之间的相互作用; (ii)在制备好的器件上利用磁控溅射方法制备外尔半金属MoTe2层(SEM切面表征厚度为2.13 μm)。团队成员使用面投影微立体光刻技术(nanoArch S130, 摩方精密)完成器件的制备。实验搭建了微电流测试的钨钢探针平台来测试由太赫兹波入射而产生的亮暗电流变化，从而得到器件的探测性能。

图2器件在0.1THz下的探测性能

从图2中可知，RA、NEP和D*在0.1 THz时不同电压下的探测效果。螺旋微柱腔结构阵列的探测灵敏度RA为7.9 A·W-1，与MoTe2薄膜相比，有2倍以上的增强效果。在25 V的电压下，微腔阵列和无结构的MoTe2薄膜的NEP分别为0.9 pW·Hz-1/2和8.9pW·Hz-1/2，此时，微腔的优势非常明显。器件的NEP仅为Golay Cell的1/175 (140 pW·Hz-1/2)。D*达到3×1010 cm·Hz1/2·W-1可以与商用的Bolometer比拟(1.9×1010 cm·Hz1/2W−1)[31]。综上，结合3D打印螺旋微柱腔结构阵列的稳定性、易加工性、低成本、大规模生产前景和可重复性，面投影微立体光刻3D打印技术为推进6G技术发展具有一定价值。为了进一步说明器件的光响应性能。我们还设计了激光主动调制实验。

图3器件的主动光调制结果。(a)器件在不同入射光功率密度下的太赫兹时域信号。(b) 器件和外尔半金属薄膜的主动调制深度。

器件的主动光调制结果如图3所示，由螺旋微柱腔结构阵列引入的LSP和微腔增强两部分优势，获得到的主动调制深度为55%，是薄膜的4倍。光调制结果更进一步验证了，亚波长三维微腔阵列可以显著增强太赫兹波与器件之间的相互作用，是一种有效的可用于6G技术的太赫兹波器件的设计方案。

原文链接：
https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3278690