單壁碳納米管的太赫茲非線性效應研究

《單壁碳納米管的太赫茲非線性效應研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由蘇付海擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：單壁碳納米管的太赫茲非線性效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蘇付海
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

單壁碳納米管在場發射、場效應電晶體、探測器、太赫茲振盪器等納米固體電子器件方面有廣闊的套用前景。本項目擬利用脈衝能量達到亞微焦量級的強太赫茲脈衝，通過z-scan，太赫茲泵浦-太赫茲探測以及光泵浦-太赫茲探測等技術，研究單壁碳納米管的高場電子輸運引起的太赫茲非線性效應。通過實驗上測到的非線性太赫茲透射率，考察碳納米管中高場電子輸運及其超快動力學過程，包括：碳納米管的負微分電導率、電子速度過沖（velocity overshoot），電子速度飽和、光學聲子發射過程；探索半導體相單壁碳納米管的電子由第一到第二導帶的帶間轉移、導帶的非拋物線特性；探究強太赫茲電場對激子的調控等。碳納米管太赫茲非線性效應的研究不僅可以以無接觸，無損傷的方式深究其高場電子輸運物理，還有助於發展以碳納米管為基礎的太赫茲探測器件。

結題摘要

碳納米管具有獨特的電輸運特性，兼有彈道電子輸運、負微分電導率、量子輸運等特徵。太赫茲是波長介於紅外和微波之間的電磁波，以介於半經典的電場、磁場幅度波和量子化的光子之間形式和材料相互作用。藉助飛秒雷射器，通過非線性晶體等介質產生脈衝能量微焦量級、峰值電場MV/cm幅度、脈衝寬度亞皮秒的寬頻太赫茲脈衝，並可直接在時間域測量其電場或磁場幅度，獲得其相位信息。太赫茲光譜可以非接觸、非損傷方式探測電荷輸運動力學。本項目致力於利用脈衝能量達到亞微焦量級的強太赫茲脈衝，探索單壁碳納米管中的太赫茲非線性光學，考察碳納米管中高場電子輸運及其超快動力學過程。在本項目的執行過程中，我們發現受限於目前可利用的太赫茲脈衝強度、碳納米管與襯底的界面散射、太赫茲時間分辨譜的探測靈敏度、碳納米管的高反射率等因素，通過原計畫中的z-scan、太赫茲泵浦-探測等實驗方法難以在藍寶石襯底上的有序碳納米管陣列中觀察到顯著的非線性效應。針對這些問題，我們採取了以下措施：(1)不斷升級和發展新的實驗系統;（2）設法製備無襯底有序碳納米管；（3）研究對象擴展至石墨烯等體系。項目獲得的主要成果包括：(1)搭建了基於LiNbO3晶體的強太赫茲脈衝源、太赫茲時間分辨譜系統，發展了太赫茲泵浦-示波器探測、太赫茲磁光時域譜等新實驗方法。(2)通過太赫茲泵浦-示波器探測實驗方法在碳納米管中發現了輕微的非線性效應,該結果在無源太赫茲探測器件方面有一定的套用價值；（3）利用光泵浦-太赫茲探測、太赫茲泵浦-太赫茲探測等實驗技術在半導體材料中觀察到太赫茲脈衝引起的電子速度過沖、電子速度飽和、電子有效質量各項異性等非線性效應；(4)為了增加太赫茲耦合強度，製備了金殼/聚丙乙烯球微納複合球陣列結構，並觀察到異常太赫茲光子吸收帶，（5）為了實現太赫茲場增強，設計了基於法布里-珀羅共振腔、外場可調控的太赫茲吸收增強的石墨烯結構；（6）研究了石墨烯隧穿結構的非線性光學性質，發現在一定強度的皮秒寬度的光場作用下，通過動態斯塔克效應，石墨烯價帶和導帶發生一定程度的混合，進而可有效改變狄拉克電子的手征對稱性，調製其電子隧穿效應；（7）提出了一種基於光學量子干涉效應的半導體等體系中超快相干電流分布的測量技術，為太赫茲非線性光學實驗提供了一種新的方法。總之，與該項目有關的已發表的重要文章共8篇，其中SCI收錄7篇，一些重要研究成果尚待發表。