[發(fā)明專利]基于第二類外爾半金屬材料的太赫茲探測器

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• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113484352A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設計）人: 孫棟;范子璞;賴佳偉
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N23/227
• 分類號: G01N23/227
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發(fā)明公開了一種基于第二類外爾半金屬材料的太赫茲探測器，采用第二類外爾半金屬作為太赫茲的探測材料，不需要外加偏壓，在室溫下即可具有較高的響應度與較快的響應速度。本發(fā)明的太赫茲探測器有著廣闊的應用前景，可應用于太赫茲成像、太赫茲安檢、生物醫(yī)學、太赫茲雷達等各個領域。特別的，本發(fā)明的太赫茲探測器不需要提供偏置電壓即可產(chǎn)生較高的光電流響應，并且暗電流非常低；也不需要提供低溫環(huán)境(例如液氦降溫)，在室溫下即可使用，這些將非常有助于探測器的微型化和經(jīng)濟化。

技術領域

本發(fā)明涉及太赫茲探測器，具體涉及一種基于第二類外爾半金屬材料的太赫茲探測器。

背景技術

太赫茲探測器是一種能夠將太赫茲信號轉化為電信號的裝置，太赫茲探測技術在雷達探測、醫(yī)學成像、安全檢查、質量控制等等方面有著廣闊的應用，是太赫茲領域的關鍵技術。目前已有的太赫茲探測的技術路線很難同時做到快速、小型化、非制冷、高靈敏度的太赫茲探測。例如基于熱感效應的探測器，以基于二氧化釩的探測器和高萊盒太赫茲探測器為例，這些探測器的響應速度一般較慢，響應速度大概在10到400Hz。而利用超導體的太赫茲探測器，例如超導熱電子輻射熱測量計，則需要利用液氦將探測器降溫至4K，無法在室溫工作。此外，對于科研上用的太赫茲檢測技術方面，比如超快電光采樣等一系列的技術則需要超快激光，探測設備的體積，以及其運行環(huán)境和成本都受到限制。因此，這些太赫茲探測器的使用都在不同程度上受到了限制。

近年來人們發(fā)現(xiàn)了一類全新的奇特拓撲量子材料，其具有特殊的能帶結構，具有兩支能帶的交叉點，在交叉點附近的低能激發(fā)可以用粒子物理中的狄拉克方程或外爾方程描述，因此這類材料體系被稱為狄拉克半金屬或外爾半金屬。半金屬材料具有較高的遷移率，從而有利于載流子的收集，同時半金屬材料的載流子弛豫時間較短，從而能夠具有較快的響應速度。除此之外，外爾半金屬還具有許多非平庸的拓撲性質，這些新奇的量子效應將為這些半金屬材料帶來諸多意想不到的新功能。

發(fā)明內容

針對以上現(xiàn)有技術路線中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于第二類外爾半金屬材料的太赫茲探測器及其探測方法。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于第二類外爾半金屬材料的太赫茲探測器。

本發(fā)明的基于第二類外爾半金屬材料的太赫茲探測器包括襯底、太赫茲天線、第二類外爾半金屬薄片和保護層，其中：所述太赫茲天線設置在襯底表面，由不連通的兩部分組成，兩部分的尖端處相向放置；所述第二類外爾半金屬薄片與太赫茲天線的兩個尖端處連接，形成歐姆接觸；所述保護層完全覆蓋所述第二類外爾半金屬薄片。

本發(fā)明的太赫茲探測器在制作時，首先在襯底表面上設置太赫茲天線，之后將第二類外爾半金屬薄片轉移至太赫茲天線上，使第二類外爾半金屬薄片與太赫茲天線的兩尖端處相連，形成歐姆接觸；再在第二類外爾半金屬薄片上方覆蓋保護層，保護層的水平尺寸應比第二類外爾半金屬薄片的水平尺寸大，以保證完全覆蓋住第二類外爾半金屬薄片。最后將太赫茲天線的兩端連接至外部的檢測電路即可用于探測太赫茲信號。

所述襯底應選擇電阻率較高的襯底，同時要能夠保證樣品以及天線能夠與襯底緊密結合，優(yōu)選表面覆蓋二氧化硅絕緣層的高阻硅襯底，高阻硅的電阻率為10²～10⁴Ω·cm。

所述太赫茲天線例如蝴蝶結形平面天線、對數(shù)周期天線等。天線結構一般由不連通的對稱的兩部分構成，天線兩部分的尖端處相向放置，間距優(yōu)選為20μm以內，天線兩部分的較寬的部分通過導線與外部電路相連接。太赫茲天線結構優(yōu)選采用兩層金屬構成，底層為過渡金屬層，在過渡金屬層的表面再形成導電金屬層。過渡金屬層為過渡層，起到晶格適配的作用，可以使得導電金屬層更牢固的粘在襯底的表面上。所述過渡金屬層的材料應選用與襯底結合力較強的材料例如鈦、鉻等，所述導電金屬層的材料應選用電阻率較低同時又能夠與過渡金屬層結合較好的材料例如金。

所述第二類外爾半金屬薄片的材料例如二碲化鎢、二碲化鉬和鉭銥碲等，其厚度優(yōu)選在300nm以內，水平尺寸需保證能夠同時與太赫茲天線兩部分的尖端形成歐姆接觸。