基于藍(lán)色激光的氧化銦太赫茲透射特性研究

趙碩穎 王國陽 蘇波

摘要：氧化銦是寬禁帶半導(dǎo)體材料，本文在室溫下用藍(lán)色激光照射氧化銦薄膜，利用THz-TDS系統(tǒng)研究了藍(lán)色激光入射角度相同但激光強(qiáng)度不同和藍(lán)色激光強(qiáng)度相同但激光入射角度不同兩種情況下氧化銦薄膜的太赫茲透射特性。發(fā)現(xiàn)當(dāng)藍(lán)色激光入射角不變時(shí)，氧化銦薄膜的太赫茲透射強(qiáng)度隨著激光強(qiáng)度的增加而逐漸減小;當(dāng)藍(lán)色激光光強(qiáng)不變，氧化銦薄膜的太赫茲透射強(qiáng)度隨著激光入射角的增大而緩慢減小。將藍(lán)色激光和氧化銦相結(jié)合，為太赫茲波的調(diào)制提供了一種新的方法。

關(guān)鍵詞：氧化銦薄膜;太赫茲;藍(lán)色激光;透射特性

1 緒論

太赫茲（THz）波是指頻率范圍在0.1—10THz，波長在003—3mm之間的電磁波，在整個(gè)電磁波譜中居于微波與紅外光波之間。太赫茲波具有瞬態(tài)性、寬帶性、穿透性和光子能量低等一系列獨(dú)特性質(zhì)，在材料研究、信息傳遞、國防安全、醫(yī)療服務(wù)等方面有著非常重要的作用[1]。

隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不同的太赫茲調(diào)制方式，包含等離子體器件、超材料、調(diào)制器、吸收器、濾波器等[2-6]。氧化銦是寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有良好的導(dǎo)電性和較高的可見光透過率，也能夠強(qiáng)烈反射紅外光和吸收紫外光，但其對(duì)于藍(lán)色激光的響應(yīng)目前還沒有相關(guān)的報(bào)道[7]。

本文利用THz-TDS系統(tǒng)，在室溫下研究了藍(lán)色激光入射角度相同但激光強(qiáng)度不同和藍(lán)色激光強(qiáng)度相同但激光入射角度不同兩種情況下氧化銦薄膜的太赫茲透射特性，為太赫茲波的通信以及信息存儲(chǔ)提供了一種可行的方法。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 THz-TDS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)選取如圖1所示的自主搭建的透射式THz-TDS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，光源是自鎖模光纖飛秒激光器。其輸出的激光經(jīng)偏振分光棱鏡后被分為兩束光，一束光作為泵浦路，經(jīng)機(jī)械平移臺(tái)被耦合進(jìn)光纖式光電導(dǎo)天線，由該天線產(chǎn)生太赫茲波;另一束光作為探測路，被耦合進(jìn)光纖式光電導(dǎo)天線，由該天線探測太赫茲波。將氧化銦薄膜置于兩天線的中間，太赫茲產(chǎn)生天線發(fā)射太赫茲波，太赫茲波透過氧化銦薄膜后，由探測天線接收并輸入鎖相放大器進(jìn)行放大，然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，得到相應(yīng)的時(shí)域波形，然后對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，得到更加豐富的頻域信息[8]。

2.2 氧化銦薄膜樣品

氧化銦是重要的n型透明金屬氧化物半導(dǎo)體材料，氧化銦的禁帶寬度較大，并且具有高的電子遷移率和對(duì)可見光高透的特性。另外，藍(lán)色激光的能量高于氧化銦的帶隙，因此藍(lán)色激光可以在氧化銦薄膜中以較低的能量產(chǎn)生大量的載流子。

本實(shí)驗(yàn)將氧化銦納米顆粒（10nm）溶解于乙醇溶液中，然后覆于石英襯底上，最后進(jìn)行退火處理而制得。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

在溫度為22℃的條件下，先測量未放樣品時(shí)的信息參數(shù)，隨后將氧化銦薄膜置于THz-TDS系統(tǒng)中，調(diào)整樣品位置，使樣品處于THz光束的焦點(diǎn)處。將藍(lán)色激光聚焦照射于氧化銦薄膜上并固定激光入射角（樣品法線與激光方向夾角），通過調(diào)節(jié)藍(lán)色激光器的輸入電壓來控制其輸出功率，在功率分別為0mW、5.4mW、71.6mW、129.9mW、229.5mW、2905mW和388.9mW的情況下對(duì)氧化銦薄膜進(jìn)行太赫茲透射測量。另外，將藍(lán)色激光的強(qiáng)度固定，使其輸出功率為129.9mW，改變藍(lán)色激光的入射角，在入射角分別為17.5°、24.4°、33.0°、38.0°和71.5°的情況下對(duì)氧化銦薄膜進(jìn)行太赫茲透射測量。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

固定激光入射角，通過調(diào)節(jié)藍(lán)色激光器的輸入電壓來控制其輸出功率，將所測信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到在不同強(qiáng)度藍(lán)色激光照射下氧化銦薄膜的頻域譜如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著藍(lán)色激光強(qiáng)度的增加，氧化銦薄膜的太赫茲透射量逐漸減小。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)椋涸谒{(lán)色激光照射之前，氧化銦薄膜表面有很多氧缺陷，這些缺陷會(huì)吸附空氣中的氧分子，被吸附的氧分子捕獲氧化銦中的自由電子并在薄膜表面形成低導(dǎo)電性耗盡層;在藍(lán)色激光照射之后，氧化銦薄膜內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，作為強(qiáng)氧化劑，空穴會(huì)化學(xué)中和吸附在氧缺陷中的氧離子。氧離子從表面被光解吸，電子釋放到導(dǎo)帶。因此，在表面陷阱態(tài)達(dá)到飽和之前，氧化銦薄膜對(duì)太赫茲的吸收顯著增加[9]。而隨著藍(lán)色激光強(qiáng)度的增加，氧化銦薄膜產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量增多，因此氧化銦薄膜對(duì)太赫茲的吸收增加。

固定藍(lán)色激光的強(qiáng)度，使其輸出功率為129.9mW，改變藍(lán)色激光的入射角，將所測信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到在不同入射角的藍(lán)色激光照射下氧化銦薄膜的頻域譜如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著藍(lán)色激光入射角的增大，氧化銦薄膜的太赫茲透射強(qiáng)度緩慢減小。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)椋弘S著藍(lán)色激光入射角的增大，氧化銦薄膜產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)增多，因此氧化銦薄膜對(duì)太赫茲的吸收增加。

3 結(jié)論

本文利用THz-TDS系統(tǒng)研究了氧化銦薄膜的太赫茲透射特性，在室溫下研究發(fā)現(xiàn)：固定藍(lán)色激光入射角，隨著藍(lán)色激光強(qiáng)度的增大，氧化銦薄膜的太赫茲透射強(qiáng)度逐漸減小;固定藍(lán)色激光光強(qiáng)，隨著激光入射角度的增大，氧化銦薄膜的太赫茲透射強(qiáng)度緩慢減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因大致為：隨著藍(lán)色激光強(qiáng)度增大或激光入射角度的增大，氧化銦薄膜產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)增加，從而對(duì)太赫茲的吸收變大，透射減少。所以，將藍(lán)色激光和氧化銦薄膜相結(jié)合，通過激光強(qiáng)度和角度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的調(diào)制，在太赫茲通信和信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

致謝：感謝首都師范大學(xué)物理系張波老師提供的氧化銦樣品。

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