撰稿 | 張亞（日本東京農(nóng)工大學(xué) 副教授）、杜少卿（日本東京大學(xué) 特任助教）

注：本文由課題組（論文作者）投稿

太赫茲波是一種位于微波和紅外線之間的兼具電磁波和光學(xué)特性的特殊電磁波。太赫茲波能夠深入地穿透到材料的內(nèi)部測量材料的特性，因此在表征材料的電子性質(zhì)上有著廣泛的研究和應(yīng)用。

太赫茲波不僅穿透性強(qiáng)，而且光子能量很小，對人體和生物樣品幾乎沒有任何傷害，因而在生物樣品的成像和安防領(lǐng)域的應(yīng)用上比傳統(tǒng)的X射線更具優(yōu)勢。

此外，太赫茲光子的能量與各種量子結(jié)構(gòu)和納米材料的量子化能量范圍一致。這種特性可以用于表征甚至控制等各種重要的量子納米材料的量子狀態(tài)，比如量子點(diǎn)、碳納米管、納米線的電子狀態(tài)和單分子的振動狀態(tài)。因此，太赫茲光譜技術(shù)在納米材料和量子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用有極大的潛力。

近年來，量子納米器件的日新月異的發(fā)展來帶來了對太赫茲技術(shù)的新需求，那就是在使用太赫茲技術(shù)在納米尺度上研究單個(gè)納米器件的特性。比如要將納米器件用于量子通信與計(jì)算，必須了解單個(gè)量子納米結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)。

然而，實(shí)現(xiàn)納米領(lǐng)域的太赫茲光譜測量非常困難。它需要大幅突破太赫茲波的衍射極限將太赫茲波聚焦到納米領(lǐng)域，并測量出單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的微小的太赫茲吸收。太赫茲波的波長很長，有幾十到幾百微米，比一般而言的納米結(jié)構(gòu)大幾千到幾萬倍。所以傳統(tǒng)的太赫茲光譜只能測量毫米級、厘米級的大樣品。對于納米結(jié)構(gòu)，只能通過測量數(shù)以億計(jì)樣品的總吸收來進(jìn)行分析，而無法對單個(gè)納米器件進(jìn)行表征。

圖1：毫米級，微米級和納米級的太赫茲光譜技術(shù)（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

為了克服太赫茲衍射極限的影響，一些科學(xué)家將太赫茲光源、太赫茲的波導(dǎo)和太赫茲探測器集成在小小的芯片上。與傳統(tǒng)的自由空間測量系統(tǒng)相比，片上太赫茲光譜系統(tǒng)用波導(dǎo)替代自由空間傳遞太赫茲信號，有效地將樣品尺寸減小到亞波長范圍，即可以測量數(shù)十微米級別的樣品。但是，片上的太赫茲系統(tǒng)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以測量納米尺度的樣品。

最近，由日本東京農(nóng)工大學(xué)的張亞副教授，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的杜少卿博士、平川一彥教授組成的研究團(tuán)隊(duì)在 Light: Advanced Manufacturing 上發(fā)表綜述文章 Deep-nanometer-scale terahertz spectroscopy using a transistor geometry with metal nanogap electrodes。

該綜述系統(tǒng)總結(jié)和介紹了深納米太赫茲光譜技術(shù)的新進(jìn)展，并評估了這項(xiàng)新技術(shù)的未來應(yīng)用潛力和進(jìn)一步發(fā)展需要克服的挑戰(zhàn)。

目前的深納米領(lǐng)域太赫茲光譜技術(shù)主要分為三種：

1. 散射式太赫茲掃描近場探測法(THz s-SNOM)

2. 太赫茲近場掃描隧道顯微鏡法(THz-STM)

3. 太赫茲單電子隧道光譜法（THz-SETS）

這三種技術(shù)將太赫茲電磁波通過掃描探針或納米電極聚焦到納米領(lǐng)域，并通過探測散射的太赫茲波或太赫茲激發(fā)的光電流實(shí)現(xiàn)單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的太赫茲響應(yīng)。

這篇綜述論文重點(diǎn)介紹了由該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的THz-SETS 技術(shù)。與THz s-SNOM 和THz-STM需要昂貴復(fù)雜的掃描探針設(shè)備不同，THz-SETS使用簡單的納米電極來測量太赫茲光譜，具有超高的檢測靈敏度，可實(shí)現(xiàn)深納米級的太赫茲探測。

太赫茲單電子隧道光譜法（THz-SETS）

如前所述，納米級太赫茲技術(shù)需要克服兩大難題：

a. 如何超越衍射極限將太赫茲光聚焦于一個(gè)納米結(jié)構(gòu)上?

b. 該如何高靈敏地探測到極度微弱的吸收信號?

對于第一個(gè)難題，研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用太赫茲天線耦合納米間隙電極的方法，將波長約100微米的太赫茲波聚焦在偶極子天線正中間的納米結(jié)構(gòu)上，大大超越了衍射極限。此外，將偶極子天線的兩翼作為電極使用，通過測量隧穿過樣品的太赫茲光電流實(shí)現(xiàn)超靈敏探測，克服了第二個(gè)難題。

圖2：太赫茲單電子隧道光譜法（THz-SETS）（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

與其他兩種納米級太赫茲光譜技術(shù)相比，THz-SETS多了一個(gè)背柵電極用于調(diào)控樣品的費(fèi)米能級（電化學(xué)勢能）使其更加靠近金屬電極上的費(fèi)米能級。通過這種調(diào)制，電子隧穿所需克服的能隙量級大大降低，在弱光源照射下同樣可以實(shí)現(xiàn)太赫茲光譜檢測。此外，背柵電極的調(diào)控功能也使得該技術(shù)可以在自由地調(diào)制納米材料中的電子數(shù)，研究不同電子數(shù)下的納米材料特性。

THz-SETS用于表征低維量子材料的具體步驟

如圖3所示，THz-SETS的測量系統(tǒng)由太赫茲干涉光路與單電子晶體管結(jié)構(gòu)兩部分組成。通過硅透鏡將兩束時(shí)間相干的太赫茲脈沖聚焦到單電子晶體管。而后通過單電子晶體管兩側(cè)的偶極子天線形成太赫茲波的二次聚焦，激發(fā)納米間隙中納米材料的電子躍遷或分子的振動。

圖3：THz-SETS在量子點(diǎn)、納米線、碳納米管、和單分子結(jié)上應(yīng)用時(shí)樣品的SEM圖（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

對于大小在幾十到幾百納米范圍內(nèi)的樣品，研究團(tuán)隊(duì)使用了標(biāo)準(zhǔn)電子束光刻法制備納米電極，并直接耦合到單個(gè)的被測納米結(jié)構(gòu)上。對于單分子尺度的樣品，團(tuán)隊(duì)使用了電遷移斷裂法產(chǎn)生納米間隙，該方法可打破目前常規(guī)半導(dǎo)體制備的尺寸極限，制備出1納米至亞納米尺度的間隙電極，再通過電子輸運(yùn)測試確認(rèn)捕獲分子的情況。

基于THz-SETS的量子動力學(xué)研究

這一部分中，該論文展示了使用THz-SETS技術(shù)測量兩種典型的納米結(jié)構(gòu)的太赫茲光譜的例子：分別是數(shù)十納米大小的InAs 量子點(diǎn)和~1nm大小的富勒烯分子。這些例子表明THz-SETS 可以作為探索太赫茲納米科學(xué)的有效的工具。

圖4展示了使用THz-SETS得到的單個(gè)的InAs量子點(diǎn)的太赫茲光電流譜。該光電流來自于量子點(diǎn)內(nèi)的量子化能級之間的電子躍遷。同時(shí)，通過使用背柵電極調(diào)制量子點(diǎn)內(nèi)的費(fèi)米能級，可以精細(xì)地分辨出量子點(diǎn)形狀的不對稱所帶來的能級分裂。這些信息對于使用量子點(diǎn)開發(fā)太赫茲探測器和單光子源至關(guān)重要。

圖4 基于THz-SETS技術(shù)在量子點(diǎn)中觀察到的內(nèi)能級間轉(zhuǎn)換（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

如圖5所示，研究團(tuán)隊(duì)在單個(gè)富勒烯分子中觀察到2meV（約0.5THz）的太赫茲響應(yīng)，該信號來源于富勒烯球與金屬電極之間的“質(zhì)心振蕩”。當(dāng)富勒烯內(nèi)嵌入一個(gè)金屬原子后，光譜信號的位置和譜寬都發(fā)生了較大的變化，這反映了內(nèi)嵌單個(gè)原子的混沌運(yùn)動。這些結(jié)果表明THz-SETS技術(shù)所具備的超高靈敏度，足以感知單個(gè)分子乃至單個(gè)原子的響應(yīng)。

圖5：基于THz-SETS技術(shù)觀察到的單分子運(yùn)動和單原子運(yùn)動（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

未來展望

上述的測量結(jié)果顯示出，深納米太赫茲光譜技術(shù)具有納米和亞納米級別的超高空間檢測能力以及單電子吸收級別的超高靈敏度。這種能力對于未來表征量子納米器件以及復(fù)雜的有機(jī)分子和生物分子極具潛力。

然而，三種深納米太赫茲光譜技術(shù)都還各有重要的問題需要解決。

基于掃描探針的THz s-SNOM 和THz-STM可以方便地對納米結(jié)構(gòu)的成像，但在極小尺度(~1nm)上，它們都缺乏一個(gè)柵電極來調(diào)制樣品的電子態(tài)；

基于晶體管結(jié)構(gòu)的THz-STS可以容易地調(diào)制樣品的電子態(tài)，但它缺乏對樣品進(jìn)行成像的能力。

因此，有必要將這兩類測量方法結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)更加通用的深納米太赫茲光譜技術(shù)。

在未來，深納米太赫茲光譜技術(shù)預(yù)期可以應(yīng)用在納米器件的量子態(tài)控制上。它可以將量子信息在電子和太赫茲光子之間傳遞，成為量子信息處理的新選項(xiàng)。此外，非線性太赫茲光學(xué)也將是一個(gè)重要的應(yīng)用方向。深納米太赫茲光譜技術(shù)可以把太赫茲波壓縮到波長的幾萬分之一的程度，將空間的太赫茲場強(qiáng)增強(qiáng)幾百萬倍。這種技術(shù)與強(qiáng)太赫茲脈沖技術(shù)相結(jié)合將帶來前所未有的太赫茲強(qiáng)電場，在表征和改變材料的結(jié)構(gòu)上發(fā)揮重大作用。

| 論文信息 |

Zhang et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:31

https://doi.org/10.37188/lam.2021.031

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編輯 | 趙陽