通过太赫兹近场显微镜揭示半导体纳米线光电探测器的检测动态学术资讯

来源：两江科技评论

01导读

近日，来自意大利的科学家们Eva A.A. Pogna，Mahdi Asgari等人发表了题为“Unveiling the detection dynamics of semiconductor nanowire photodetectors by terahertz near-field nanoscopy”的高水平论文。半导体纳米线场效应晶体管为室温（RT）太赫兹（THz）频率光检测器的开发提供了一个有前途的平台，见图1。它的传输特性具有很强的非线性特性，低噪声当量功率和高响应度。将其进行应用需要清楚地了解其主要的检测机制。然而，由于固有的设备不对称性，传统的电气和光学测量无法清楚地揭示主要的检测机制。该文章通过高空间分辨率（35nm）THz光电流纳米技术创新地捕获了各个InAs纳米线的光响应快照。通过将THz量子级联激光器耦合到散射近场光学显微镜并监视电学和光学读数，可以同时测量传输和散射特性。在空间上解析的电响应提供了光热电流或辐射热电流的明确特征，它们的相互作用被讨论为光子密度和材料掺杂的函数，这提供了一种设计光响应的途径。该文章已发表在《Light: Science & Applications》国际顶尖学术期刊上。

图1 InAs纳米线场效应晶体管的扫描电子显微镜以及传导率与栅极电压的关系。

02研究背景

光电检测依赖于将吸收的光子转换成稳定的电信号的能力。半导体纳米结构可以通过许多不同的物理机制来产生太赫兹（THz）频率的光电流，例如辐射热效应，光电热效应，光伏效应，电流效应和等离子波的激发。

InAs纳米线是开发用作室温（RT）THz光电探测器的最新场效应晶体管的有效活性材料。尽管在最近几年中，半导体纳米线光电探测器的THz检测性能对与材料有关的参数的依赖性得到了广泛的研究。RT光电检测基础的物理机制仍然缺乏。基于远场光学的扫描光电流显微镜已成功应用于研究一维纳米结构中可见光和近/中红外照明引起的局部光电流。光电流显微镜的扩展到太赫兹频率范围，是微型和纳米源，纳米检测器，调制器和超材料迅速发展的有趣前沿，然而受到衍射极限的局限。

近几年来，近场光学显微镜在研究纳米级材料和器件的光电性能方面显示出惊人的潜力，这得益于其独特的能力，可以检测载流子密度，等离激元-极化子和声子-极化子，具有前所未有的空间分辨率的模式。此外，近场显微镜可以允许绘制由光照射引起的局部电流的空间变化和偏置依赖性，从而跟踪电子和光子纳米器件中的光子载流子传输和电子带弯曲，见图2。最近，已利用太赫兹频率下的散射近场光学显微镜来绘制具有亚衍射空间分辨率的石墨烯中的光电流，并在金属涂层原子力显微镜尖端利用了避雷针效应。

这篇文章构思并设计了一种紧凑，便携式，扫描太赫兹频率的近场系统，该系统能够同时执行一维纳米线场效应纳米探测器的光电流纳米检查和无探测器近场成像，约35nm的空间分辨率。该系统可以明确地跟踪和映射诱发太赫兹频率的光检测的物理机制。

图2 太赫兹近场光电流图。

03创新研究

该文章利用太赫兹频率的光电流纳米技术确定InAs纳米线场效应晶体管中的光检测机制。一旦在s-SNOM原子力显微镜尖端上撞击了太赫兹量子级联激光器源的辐射，就可捕获在强亚波长纳米线区域中流动的光电流的快照，并获得了两个热驱动过程的清晰特征：光电热效应和辐射热效应。这两种机制之间的相互作用，这取决于载流子密度，VDS光源电压和入射THz功率。

提出的太赫兹纳米显微镜研究将在许多应用领域开辟视野和研究机会：实时脉冲成像和飞行时间层析成像；气体，复杂分子和冷样品的时间分辨太赫兹光谱，量子系统的相干控制；量子光学，其中高功率脉冲可以使分子样品失去平衡，而超快检测器可以捕获这种效应；计量在要求更高带宽的数据通信中，太赫兹频率载波将变得越来越重要，并且最终有望对生物医学成像，安全性和过程控制市场产生巨大影响。对应于两种效应的光电流分布和极性是不同的，这使得光电流纳米显微镜成为研究低维材料中光导的非常有价值的工具。

此外，这篇文章证明了基于THz-量子级联激光器的无检测器s-SNOM系统可以用作多模式近场显微镜，通过自混合干涉术提供有关光学性质的补充信息，见图3。太赫兹散射强度的强烈依赖性使得该技术对于探测1016cm-3-1018cm-3范围内的载流子密度对THz场的德鲁德响应特别有用。