導讀

據德國亥姆霍茲德累斯頓羅森道夫研究中心官網近日報道，該研究中心與德累斯頓工業大學、康斯坦茨大學的研究人員組成的團隊開發出一款可生成太赫茲短脈衝的鍺元件。

背景

太赫茲波，是指頻率範圍在100GHz到10THz之間，介於微波和紅外線之間的電磁波。太赫茲波具有穿透性強、安全性高、定向性好、頻寬大、時間與空間解析度高等技術優勢。

（圖片來源：維基百科）

現在，太赫茲波正在科技領域中變得越來越重要，它使我們能夠釐清未來材料的特性，測試汽車塗料與螢幕封套的品質。

然而，對於科學家來說，生成太赫茲波仍然是一個巨大的挑戰。

創新

近日，德國亥姆霍茲德累斯頓羅森道夫研究中心（HZDR）、德累斯頓工業大學、康斯坦茨大學的研究人員組成的一支團隊在這方面取得了顯著進展。他們開發出一款可生成太赫茲短脈衝的鍺元件。這種脈衝的優勢在於具有極寬的頻帶，從而可同時提供許多不同的太赫茲頻率。

正如團隊在《光：科學與應用（Light: Science & Applications）》雜誌上所報告的，因為可採用半導體產業中已使用的方法來生產這種元件，所以這項研究成果有望廣泛應用於科研與技術。

技術

就像光一樣，太赫茲波也屬於電磁輻射。在頻譜中，它們介於微波和紅外線輻射之間。雖然微波和紅外線輻射很早就已進入我們的日常生活，但是太赫茲波只是剛剛開始被使用。原因就是，自21世紀開始，專家們一直僅能構造出可被合理接收的太赫茲波源。但是這些發射機仍不完美，相對較大較貴，而且發出的輻射並不是總具有我們所期望的特性。

一個公認的生成太赫茲波的方法就是基於砷化鎵晶體。如果這個半導體晶體受到短鐳射脈衝的照射，就會形成砷化鎵載流子。施加電壓可以加速這些電荷的運動，從而生成太赫茲波，這種機制基本上與甚高頻（VHF）發射機天線塔的機制相同，這些天線塔中運動的電荷產生了無線電波。

可是，這種方法有著許多缺點。HZDR 物理學家 Harald Schneider 解釋道道：“它只能通過相對較貴的特殊鐳射器來操控，不能通過我們在光纖通訊中使用的鐳射器來操控。”另一個缺點是，砷化鎵晶體只能發出相對窄帶的太赫茲脈衝，其頻率範圍有限，從而大大限制了應用範圍。

這就是為什麼 Schneider 及其團隊要把賭注壓在另外一種材料：半導體鍺上。Schneider 表示：“有了鍺，我們就能使用較便宜的鐳射器即所謂的光纖鐳射器。此外，鍺晶體非常透明，從而可促進超寬頻脈衝的發射。”但是，到目前為止，他們一直都有一個問題：如果用短鐳射脈衝照射純淨的鍺，半導體中的電荷在幾微秒之後才會消失。只有在這之後，晶體才能吸收下一個鐳射脈衝。然而，現在的鐳射器能以幾十納秒的間隔發射脈衝，這種發射速度對於鍺來說太快了。

為了克服這個困難，專家們想辦法使得鍺中的電荷消失得更快。他們在一種著名的貴金屬：金中找到了答案。Schneider 的同事 Abhishek Singh 博士解釋道：“我們使用了一款離子加速器來將金原子射入鍺晶體中。金穿透晶體的深度達100奈米。”然後，科學家們在900攝氏度的條件下加熱晶體幾個小時。熱處理保證了金原子在鍺晶體中均勻分佈。

當團隊用超短鐳射脈衝照射摻雜金原子的鍺時，他們發現取得了成功：載流子並沒有在晶體中到處移動達幾微秒，而是在兩納秒內又一次消失了，比之前的速度快千倍。形象地說，金就像陷阱，有助於捕捉以及中和電荷。Singh 很高興地報告：“現在，鍺晶體能被鐳射脈衝以很高的重複率轟擊，並且仍然正常工作。”

價值

這種新方法使太赫茲脈衝的頻寬提升至很寬，不再是採用公認的砷化鎵技術時的7太赫茲，而是它的10倍（70太赫茲）。Harald Schneider 激動地說：“我們一舉獲得了一種寬頻、連續、無隙的頻譜。這意味著，我們即將擁有一個真正多功能的太赫茲波源，它的應用最多樣化。”另一個好處就是，鍺元件可以用微晶片所用的同樣技術來有效處理。Schneider 表示：“不同於砷化鎵，鍺是矽相容的。因為這種新型元件能與標準的光纖鐳射器一起執行，所以你可以使這項技術變得相當緊湊和便宜。”

這將使得金摻雜的鍺變成一項有意思的選擇，不僅可應用於科學領域例如詳細分析石墨烯等創新型二維材料，而且也可以應用於醫學和環境技術。例如，我們可以想象，用感測器通過太赫茲頻譜追蹤大氣中特定的氣體。可是，現今的太赫茲波源還是太貴了。亥姆霍茲德累斯頓羅森道夫研究中心開發的這種新方法未來將使得製造這種環境感測器變得便宜得多。

關鍵字

感測器、太赫茲、鐳射

參考資料

【1】Abhishek Singh, Alexej Pashkin, Stephan Winnerl, Malte Welsch, Cornelius Beckh, Philipp Sulzer, Alfred Leitenstorfer, Manfred Helm, Harald Schneider. Up to 70 THz bandwidth from an implanted Ge photoconductive antenna excited by a femtosecond Er:fibre laser. Light: Science & Applications, 2020; 9 (1) DOI: 10.1038/s41377-020-0265-4

【2】https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=60476