【2020】【论文笔记】太赫兹新型探测——太赫兹特性介绍、各种太赫兹探测器

什么是时间反演对称性保护？在物理学中，“时间反演对称性”指的是系统的物理行为在将时间反转后不会发生变化。然而，在某些特殊材料——如拓扑绝缘体——中，这种对称性会被“保护”，即即使存在缺陷、杂质或其他干扰因素，在这些条件下仍然保持不变。具体来说：1. 拓扑绝缘体：这种材料内部缺乏自由电子或空穴（传统意义上的导电状态），但其表面却表现出类似金属的状态。这种特性由其独特的拓扑性质决定，并受到“时间反演对称性保护”。2. 表面态的稳定性：尽管内部缺乏自由载流子（电子或空穴），但拓扑绝缘体的表面态表现出高度有序的结构和能带分布。这种有序性和稳定性使得即使存在微小的变化（如缺陷、杂质等），系统的整体行为仍然遵循原有的规律。3. 能量传递与稳定传输：由于表面态的时间反演对称性保护特性，在太赫兹波段或其他频率范围内接收的能量能够以稳定的模式传递到探测器上。这确保了信号传输过程中的高可靠性。4. 应用价值：这一特性使拓扑绝缘体成为现代微纳器件的理想选择。通过将不同类型的材料结合在一起（如石墨烯、黑磷BP等），可以进一步优化性能和响应率。综上所述，“时间反演对称性保护”描述了在特定条件下（如存在于某些二维材料中的情况），系统的行为不受外界干扰而保持稳定的特性。这对于开发高性能的太赫兹探测器等器件至关重要。

本论文旨在概述其研究背景及其重要性，并阐述其理论价值与实践意义。

该研究涉及太赫兹探测器的设计与优化。
该研究发表于《红外与毫米波学报》。
研究的作者包括张玉平 敦 toughin 刘玉菲 Kar Seng Teng 吴刚 胡伟达 韩福忠。
研究时间为2020年。

导論部分针对THz波特性展开了深入探討。其中通過分析極性分子里存在的特征指紋表徵,進一步研究了非極性分子里穿透性能特性的表現;從能耗角度出发,重点考察了low-energy特性的實現及其對無損檢測技術(如成像技術)的支持;最後將 focus放在 THz 波在現代通訊技術中的應用層面

该资源介绍了Terahertz (THz)探针及其分类体系。其中包含以下几类探针：

第一类是基于不依赖coherence原理的设计方案；其中一类具有High-sensitivity性能且其灵敏度明显高于热释电探针；第二类则采用了Field-effect transistors (FETs)技术作为核心方案。

第二类则是基于光子的探针系统；其中包括两种主要类型：

第一种是基于photoconductive原理设计的光电导探针；第二种则采用了photovoltaic技术路线；其中最广泛研究的是Field-effect transistors (FETs)与Complimentary metal-oxide-semiconductor (CMOS)相结合的技术方案

3. 辐射测量仪传感器

相干探测器（外差探测器）肖特基二极管太赫兹探测器

其他类别的THz探测器装置

用于制备高性能THz探测器的关键材料包括：单层石墨烯基碳纳米管、层状晶体石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）、富勒烯掺杂黑磷（BP）以及二维拓扑绝缘体材料。

• 太赫兹电磁波接收装置 * 面临诸多技术挑战

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太赫兹电磁波的特征

该技术位于交叉前沿领域之中。其长波方向涵盖电子学领域；短波方向涵盖光子学研究。

太赫兹处在于宏观经典理论与微观量子理论之间的一个分界线区域

在宇宙中大部分物质能够发射出 THz 波，在这些自然存在的太赫兹源中可以通过相应的太空望远镜或探测器装置就能够捕获这些信息

空间分辨率优良、通信容量充足、方向选择能力强、保密性能优异、安全防护等级高、抗干扰能力强

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探讨极性分子的独特标记

大量高度极性的大型分子的振动频率和转动物体频率均位于太赫兹频段区间内，并且它们表现出强烈的吸收和共振效应。

由于不同物质及相应的分子对对太赫兹波的吸收和散射存在显著差异，并且这种差异性特征与极性分子之间具有一一对应关系

分子特征区段：从6.7微米至20微米之间

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非极性分子的透过

太赫兹对金属的穿透能力与X光相当欠佳

在塑料、陶瓷等非极性材料中，THz展现出良好的穿透性能

由于太赫兹波段的波长远大于颗粒物尺寸，在含有烟尘和尘埃的环境下也能实现低损耗传输

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该资源专注于提供高效节能解决方案，在各个应用场景中实现最低能耗配置。通过采用先进的技术和优化设计理念，在减少能源浪费的同时确保系统运行效率最大化。该产品特别适用于对资源消耗要求严格的领域如工业自动化、智能设备等

terahertz (THz) waves exhibit extremely low photon energy, with frequencies of 1 THz corresponding to an energy level of approximately $4.2 meV.

其能量相较于X射线的光子能量低了约7至8个数量级单位

该方法能够有效避免对人体组织或细胞本身造成无法逆转的损伤，并且对光化电离反应具有良好的防护作用

光致电离：当光子与原子或分子相互作用时会引发离子形成的物理现象；这种现象要求入射光子的能量必须达到或超过原子的电离能。

由于水对于太赫兹波具有很强的吸收特性，在其照射下仅能局限在人体表面皮层区域，并未能穿透至组织内部

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无损检测（成像）

该技术具备显著透过率，在非极性物质中可识别出不可见光区域存在的隐秘缺陷。
它适用于绝热材质，在此类绝热材质上实施热成像往往难以正常运行这一问题得以解决以弥补现有技术之不足。
相比于射线而言其能量水平较低可为软物质带来优异的能量分辨率。
相较于超声波该技术无需接触被测物体表面即可实现成像并且在某些特定介质中声波衰减严重的情况下仍展现出良好的适用效果。
太赫兹脉冲成像技术亦被应用于航天飞机隔离层泡沫材料中的缺陷探查通过系统化的多点扫描获取各区域完整的时域信号数据随后通过对信号变化进行细致分析即可推断出缺陷的具体形态大小分布类型及位置等关键参数

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在通信领域

太赫兹波通信相比微波通信在频率带宽方面更具优势，在实际应用中能够达到惊人的10 GB/s传输速率。在无线通信领域，该技术能够有效实现大容量、高速度、高保密性和高安全性的数据传输。

水分分子对微波频段中的太赫兹波具有显著的吸收特性，并因此限制其仅限于近距离内的局部通信应用。

在太赫兹波谱的低频区间（0.1至1 terahertz）存在若干关键的大气透明带；这些透明带可作为实现短距离Terahertz通信的关键介质。

由于水汽在太空中的含量极少,主要原因在于其具备良好的通信效果,太赫兹通信得以成功应用于星际卫星间的通信。

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基于Terahertz频段的探测装置

该系统采用先进的信号处理技术实现精准检测

基于理论分析基础的THz探测装置划分

基于理论分析基础的THz探测装置划分

• \textcircled{1} 非相干式探测器 是一种直接式的检测装置，在实际应用中主要分为两种类型：一种是基于制冷原理的工作状态；另一种则无需制冷即可正常运行（适用于室温环境）。从其工作机理来看，该类装置可分为两类：一类是基于温度变化的热式探头；另一类则利用光子特性进行检测操作。

\textcircled{2} 相关检测装置（外差检测装置）

以下列举了四款探测器

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不相干检测装置（也称直接探测器）

仅限于对信号而言其 大小 须经过测量操作

不受混频器的限制

具备广域探测能力 波段较宽

缺点：检测精度有限，在实际应用中仅限于 中频和低频谱分辨率探测。

低温下工作的制冷探测器 ：包括非本征Ge光电型探测器和量子阱探测器
——其等效噪声功率通常在10^{-17}至10^{-13}瓦每赫兹范围内。

室温型探测器：包括莱特利（Lietz）探测器、热电式探测器及辐射式测温仪等；其灵敏度适中，在使用时等效噪声功率通常在10^{-10}至10^{-9}\ \mathrm{W/Hz}之间；该装置覆盖的波谱范围较为宽广

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莱特探测系统（在灵敏度方面优于热释电探测器）

一种基于温度变化的THz探测器具有气室结构

当太赫兹电磁波进入密闭的气室时，在氩气或氙气等惰性气体中被激发子吸收能量后体积发生了膨胀。这一过程进而使得气室内的薄膜产生形变。通过观察薄膜形状的变化就可以完成对这种电磁波特性的研究

选用氩气或氙气的原因在于它们的单原子结构使得热导率较低

该探测器在常规温度环境下能够正常运转；其检测频率范围覆盖广泛

缺点为机械振动对其造成显著影响（需搭配减震器）

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1. 热效应探测装置（温度转换式探测装置）

吸收的Terahertz（THz）辐射能量导致探测元件的电学和物理特性发生变化

由于接收材料的温度变化存在时间差,因此热探测器的一个显著特点是其响应速度通常存在明显滞后

当太赫兹辐射照射到吸收层时，热量会被产生出来。因此，在实际应用中，热探测器能够检测较为广泛的光谱范围。

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第2章 光子探测器

该探测器能够吸收THz频率的能量，并对该区域内的原子或分子的内部电子状态进行激发。\overset{光电效应}{\longmapsto}电信号

第2章第1节 光电导探测器

以单光子探测为核心技术，在此基础之上由于热信号传导速度较慢的原因，其响应效率显著优于传统热探测器。

缺点：暗电流值较高（这会影响探测器的灵敏度与检测效率）、探测范围受限

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在太赫兹频段运行时，在此频率范围内所处的光子具有较低的能量值；这通常对应于形成由导带和价带之间产生的间隙。

如果入射光子的能量超过半导体能带间隙，在光照作用下，半导体中的电子与空穴结合并被激发，并引起的变化称为自发电离

如果光子的能量不足以跨越这种能隙，则可以通过在半导体中加入杂质 来促进光电导过程的发生

这些过程能够生成极其接近导带或价带的施主态和受体态，并且低能量光子能够使电子被激发到施主态或进入受体态

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近年来的研究重点表明，在光伏探测器领域中对太阳能电池阵列的性能优化成为主要关注点

该界面电场的存在不仅可以通过结型器件内部产生的内电场形成，并且也可以通过外加电场的方式实现。在此界面电场上，在第①点中提到，在一定程度上可以有效抑制暗电流；同时，在第②点中指出，在这种情况下有助于促进光生载流子的快速分离。

基于对此类场效应晶体管（FET）形式的高性能THz探测器的分析表明

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场效应晶体管（FET），一种重要的半导体器件，在电子电路设计中有着广泛的应用

场效应晶体管（FET）太赫兹光电探测器基于等离子体共振原理输出光生电压，并进而实现对太赫兹信号的有效探测

当载流子迁移率\mu达到一定数值时，在太赫兹(THz)频段下的短沟道场效应晶体管其动态特性主要由等离子体波调控

等离子体的集体振荡现象可以通过实验手段成功实现，在带有反向偏置肖特基结的二维电子通道内被发现，并且在具有周期性光栅栅极配置的双量子阱场效应晶体管系统中也被观察到了。

在流体力学近似的框架下进行分析时，在二维电子气2DEG系统的等离子体模式研究中所关注的频率特性可以通过以下数学表达式进行描述：其频率由以下公式给出\omega_o=\frac{\pi}{2L} \sqrt{ \frac{ e(V_g- V_{th}) }{m} }其中V_g和V_{th}分别代表外加电压和阈值电压。

其中栅极的几何尺寸中的一种重要参数为L（单位：米），对应的栅极工作电压值为V_g（单位：伏特），而电路系统中的阈值电压参数设定为V_{th}（单位：伏特），最后涉及到的关键物理量则是电子的有效质量参数m（单位：千克）。

该二维等离子体振荡模式在FET结构中表现出的谐振频率受沟道尺寸缩小的影响而得以提升。
当栅极长度缩至亚微米尺度时，在此结构中所实现的谐振频率能够进入太赫兹频段。

该二维等离子体振荡模式在FET结构中表现出的谐振频率受沟道尺寸缩小的影响而得以提升。
当栅极长度缩至亚微米尺度时，在此结构中所实现的谐振频率能够进入太赫兹频段。

该场效应晶体管可用于谐振与非谐振的THz探测，并可通过调节其栅极电压V_g实现对目标频率的精确调谐。

由于栅极电压调节电子通道中的寄生电容特性时所引起的影响相对较小，在此基础之上可以构建具备高灵敏度与宽频带特性的THz探测装置

场效应晶体管基下的太赫兹探测器具备较为丰富的材料体系，并且此类器件在集成电路及微系统领域中表现出了卓越的应用潜力。

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场效应晶体管FET主要分为两种基本类型：结场效应晶体管 与 金属-氧化物半导体场效应晶体管

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该文介绍了场效应晶体管与CMOS技术的结合应用

场效应晶体管架构的太赫兹探测器能够有效地与 CMOS 技术保持良好的兼容性，并显著地减小了器件尺寸。

传统上来说，基于Si基CMOS架构的太赫兹探测器主要依赖于半导体结结构的设计方案。然而，在此基础之上发展出新型无结结构型太赫兹探测器已逐步投入实际应用。

未接 ground 的探测器可以在零栅极偏置状态下作为双端模块使用，并且使得读出电路更加简便。

在导电通路全部开通的情况下，在极低电阻的状态下（即 低电阻状态 ），这些装置在光电响应特性与栅极电压的关系中表现出明显的探测特性，并且检测灵敏度达到了70伏每瓦特）。

此外，在CMOS技术的基础上还可以采用以下方式制备相关器件：利用一维半导体纳米结构作为基底并结合InSb材料和Graphene等多种材料来制备场效应晶体管作为THz探测器。

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用于测量辐射的探测装置

早期首次应用是一个集成于电桥装置内的热敏电阻传感器

在低温条件下运行的是最常见的半导体掺杂类型，在室温下效果并不理想；这些材料通常基于无氧化二钒（V_2O_5）基底；而采用铌或铌氮（Nb/NbN）作为基底的超导与半导体组合对温度的变化极为敏感

超导辐射热计通过声子-电子制冷机制实现了显著的性能提升，在此过程中其声子和电子之间的弛豫时间在 10^{-5} 到 10^{-10} 秒之间呈现出较大的差异性。该机制不仅有效缩短了系统的响应时间，并且通过精确调控声子与电子的相互作用实现了对热量的高效传递。

超导体测辐射热计不仅能够用作直接测量装置，也可以用作外差探测装置（极低温100\sim 300mK）

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相干探测器 （外差探测器）

不仅能够检测信号的幅度和相位信息，并且还能测量其时间特性和频率成分

利用太赫兹信号与本振信号进行外差混频以得到中频中频：V_{IF}=|V_{RF}-V_{LO}|这一中间频率，并对该中频信号进行放大处理以实现对原太赫兹信号的探测。
当本振信号（LO）稳定时，
该组件能够有效保持原始输入 signals 的频率特性和相位特征。

缺点：受制于固有信号（难以实现大规模阵列集成），探测覆盖范围有限

相干探测器的核心功能是由非线性伏安特性组成的混合放大装置。其中包含两种类型的混合放大模块：一种采用基于肖特基二极管的双极型高频放大器件；另一种则采用基于NS-TJ结构的高频率双端子型自偏移放大组件。

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肖特基二极管THz探测装置

该资源基于金属与半导体材料相互接触所形成的肖特基结原理的基础上设计制造相应的电子器件

肖特基势垒结构最初采用的是触丝型，在当前的应用中则主要采用的是具有高集成度的平面结构。这一结构经过优化设计后带来了显著提升：频率上限和灵敏度均得到明显增强；其中触丝型\Longrightarrow 平面型

肖特基二极管太赫兹探测器能够表现出优异的敏感度和反应速率，并且能够在常温环境下正常运行。

缺点：频率较低且低于1太赫兹

利用宽频集成天线来显著地增强肖特基二极管太赫兹探测器在太赫兹频段的工作性能。

InGaAs 肾石二极管通常适用于零偏流工作状态。其主要原因在于，在这种工作状态下不仅展现出较高的开路电压，并且能够实现低噪声性能同时具有较低的静态功耗水平。

该InGaAs型肖特基二极管在高频工作状态下实现了有效的转换损耗降低。由于材料具有较高的迁移率特性，在这种情况下串联电阻也随之减少。

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其他类型的THz设备

该类探测器利用其工作状态下的电流变化特性来检测特定频段的电磁辐射信号，并能在10至100\text{ V/W}范围内提供较为灵敏的检测能力

该隧道结探测装置早在20世纪60年代就已记录。它不仅可以实现直接探测，
还可以实施外差式探测。然而，
由于其 非线性 的电流-电压（I-V）特性，
在实际应用中，
隧道结主要充当 外差式探测器的混频器。

Terahertz（THz）探测器制造材料

该研究主要涉及不同族别的半导体材料

• 光电导探测器：用低温生长材料，如GaAs,InP
• 测辐射计：InSb,Si,Ge
• 热释电探测器：有热释电性的材料，如LiTaO_3,LiNbO_3,DTGS(氘化硫酸三甘肽)
• 一些有优异的光电性质的新型材料也用于THz探测器的制备：一 维碳纳米管、石墨烯、过渡金属二硫化物、黑磷、拓扑绝缘体材料和一些其他的二维材料

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碳纳米管是一种由石墨烯经过特殊工艺处理后制备而成的一维纳米材料

该资源分为一维结构的单壁碳纳米管、二维结构的双壁碳纳米管以及多层结构的多壁碳纳米管

碳纳米管显示出极高的比表面积及优异的载流子迁移率（10 000\sim 50 000 cm^2/V\cdot s），同时具备卓越的热稳定性。碳纳米管材料具有较长的电子平均自由程，并且其器件工作频率处于terahertz范围内。

制备具有 高度单一取向性 的碳纳米管阵列存在较大的挑战

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石墨烯材料...

在室温条件下同样表现出优异的载流子迁移率特性，并且能够用于制造高灵敏度的室温型光电子检测器。

石墨烯具有完美能带特性的零带隙结构，在特定条件下特别适合用作宽频段太赫兹探测器使用的光敏材料

石墨烯作为一类高性能材料，在光电探测领域的应用显示出较低的响应效率。

• 利用天线能够显著提升对THz波的吸收效果。
• 石墨烯的性能能够通过优化其结构得到显著提升。
• 采用将石墨烯与其他材料结合的方式进行处理后可有效提高其响应率。

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过渡金属二硫化物（TMDs）在材料科学领域中被视为一种新兴研究方向，在电子、光电子和磁性领域展现出广泛的应用前景。

一种创新设计的半导体材料，在其各层之间形成了稳定的连接关系，这些连接主要由范德华相互作用所主导

\textcircled{1}显著的载流子迁移速率34000cm^2/V\cdot s

\textcircled{2}显著的非线性光学响应特性

\textcircled{3}部分具有范德华力与其他材料相互作用的能力

包括MoS_2,MoSe_2在内的TMDs二维结构具有直接带隙在0.4~2.3eV范围内，并且能够很好地与其互补；同时这些材料具有调节性。

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黑磷BP

一种类似石墨烯的二维材料...其能隙大于石墨烯，在六边形网格中均匀分布着磷原子，并形成非平面的波浪状折叠结构

由于这种特殊的原子结构的存在，在平面内方向上呈现了明显的异质性特征（即面内各向异性），从而使得黑磷物质呈现出其导电性能受入射光角度显著影响的独特性质（即独特角度依赖导电性）。此外，在可见光至近红外波段范围内表现出独特的光学异质性特征（即固有的光学各向异性）。

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拓扑绝缘体

与传统绝缘体及金属相比，拓扑绝缘体材料在内部呈现出明显的绝缘体状态，并且其表面被时间反演对称性所保护地呈现为一种特殊的金属态。

这一机制得以维持其稳定性

其空间轨道拓扑特征直接决定了这种表层电子态的存在，并展现出对外部缺陷及外界干扰的抵抗能力。在此基础上，在具有三维电导体特性的拓扑绝缘体中实现无散射状态传输的同时，在特定通道内可实现无相互干扰的能量传输过程，并确保传输过程中的能量守恒

三维拓扑绝缘体的界面态不仅特征性地具有独特的能带布局

在传统绝缘体材料中，其费米能级位于导电带与价电子带之间，并且该材料具有显著的能隙。

在拓扑绝缘体的能级结构中,这些 表面态 类似于连接价带与导带的重要桥梁,这种独特的能级配置由其内禀的拓扑特性所决定,并且能够有效抵御外界干扰,因而表现出良好的稳定性

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拓扑绝缘体材料表现出显著宽广的光谱响应特性（ 800\sim 2000 nm ），其在太赫兹频段展现出良好的电荷动力学行为

通过将拓扑绝缘材料与其他材料复合使用的方式被用来促进各材料性能的有效结合，并最终制备出具有更高性能的电子器件

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太赫兹天线是一种在电磁频谱中频率高于微波但低于红外辐射的电磁装置或系统，在现代无线通信和雷达技术中有重要应用

该技术主要应用于高频率成像，并被广泛应用于该领域

该天线在接收端能够有效地将自由空间传播的THz频率电磁波转换为射频电信号，并通过阻抗匹配技术实现此信号的有效传递至探测装置

不同厚度的衬底会影响天线的干扰影响

常见的有几种类型的太赫兹探测器阵列：包括双极化的透镜型阵列、分叉式的分叉型阵列以及多种先进的金属级设计等；其中光电转换效率高的光子导向型装置也得到了广泛应用；此外还有呈现对数螺旋状排列的新型设计以及具有对数周期特性的创新架构；同时平面双缝阵列设计和螺旋形结构也得到了深入研究；其中蝴蝶形技术也被广泛应用于当前研究领域

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时间反演对称性保护是一种概念

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