掺杂石墨烯系统电场调控的非线性太赫兹光学特性研究

石墨烯是单原子厚的二维狄拉克相对论费米子系统,其优秀的光电学性质得到了广泛的关注和研究. 本论文利用量子理论研究掺杂石墨烯系统外电场和光场共同作用下的非平衡载流子的非线性太赫兹光学性质. 研究发现,掺杂石墨烯带内光吸收表现出强的非线性太赫兹光学特性. 随着外加偏压电场的增大,石墨烯非线性光学响应增强;随着外界太赫兹光频率的减小,非线特性增强. 研究表明通过改变电场强度,可以有效调节石墨烯系统太赫兹非线性光学特性. 研究结果为探索和发展以石墨烯为基础的新型纳米太赫兹光电器件的研究和实际应用提供了理论依据. 关键词： 石墨烯 太赫兹 非线性 光电流     

光子晶体对太赫兹波的调制特性研究

利用传输矩阵方法研究了掺杂半导体n-GaAs/聚碳酸脂一维光子晶体的太赫兹波透射谱.研究结果发现,与一般由两种介电材料组成的一维光子晶体不同,由于掺杂半导体中自由载流子对太赫兹波存在较强的吸收,所以这种材料组成的一维光子晶体除可形成光子带隙外,还可以增强n-GaAs对太赫兹波的透射.同时还提出了一种基于这种一维光子晶体的太赫兹波调制器,通过外加电压控制半导体中电子浓度的大小可实现对太赫兹透射波幅度的调制. 关键词： 掺杂半导体光子晶体 太赫兹波 太赫兹波的调制     

石墨烯超快动态光学性质

通过建立石墨烯的光学布洛赫方程, 研究了弱光场下的单层石墨烯超快动态光学性质. 理论研究表明在太赫兹辐射光场下由于泡利不相容和能量守恒原理使得石墨烯系统建立动态非平衡载流子并达到饱和的时间是20–200 fs, 能够在1 ps之内迅速产生光电流. 研究发现√2ev_F E₀ t<0 和ω 分别对应入射光的强度和频率, t为时间, v_F是石墨烯狄拉克点附近电子的费米速度. 研究发现光子能量?ω越大, 电极化强度以及光电流越强. 我们的理论研究结果与已有的众多实验结果一致, 表明石墨烯在超快动态光学领域尤其是太赫兹领域拥有重要的研究和应用价值.     

太赫兹波段石墨烯等离子体的增益特性

基于麦克斯韦方程组和物质本构方程对石墨烯表面等离子体进行了研究.从理论上探索了石墨烯表面等离子体激元在太赫兹波段的增益特性曲线,并且讨论了石墨烯表面等离子体增益与石墨烯中载流子浓度、石墨烯所处温度以及载流子动量弛豫时间的关系.研究结果表明:在太赫兹波段增益峰值随着石墨烯载流子浓度的增加而发生蓝移,并且在所讨论的温度范围内,由于增益峰所对应的频率都大于1 THz,因此温度的变化对增益峰值以及相应频率的影响不大,即在不同的温度下,相同载流子浓度所对应的增益曲线上峰值的位置和强度几乎相同;增益与石墨烯载流子动量弛豫时间相关,随着载流子动量弛豫时间的增加,使得激发态激励的电子增加,从而导致石墨烯表面等离子体增益变得更大,但这种动量弛豫时间的增加却因弛豫时间对受激辐射频率影响较小而并未对增益峰值位置产生影响.     

光子重吸收对硅片的光载流子辐射特性影响的理论研究

光载流子辐射技术已广泛应用于半导体材料性能的表征,本文基于一种包含光子重吸收效应的光载流子辐射理论模型,对单晶硅中光子重吸收效应对光载流子辐射信号的影响进行了详细的理论分析.分析结果表明,光子重吸收效应对光载流子辐射信号的影响主要取决于样品掺杂浓度、过剩载流子浓度和过剩载流子的分布.由于过剩载流子浓度及其分布与材料电子输运特性密切相关,电子输运参数的变化将导致光子重吸收效应的影响随之变化.进一步分析了光子重吸收效应对具有不同电子输运特性的样品的电子输运参数的影响,并提出了减小光子重吸收效应影响的方法.     

光抽运太赫兹探测技术研究ZnSe的光致载流子动力学特性

利用光抽运-太赫兹探测技术,研究了ZnSe的载流子弛豫过程和太赫兹波段电导率的时间演化过程.在中心波长为400 nm的抽运光作用下,ZnSe的载流子弛豫过程用双指数函数进行了很好的拟合,其快的载流子弛豫时间和慢的载流子弛豫时间均随抽运光密度的增加而增大.快的载流子弛豫时间随抽运光密度的增加而增大与样品中的缺陷有关,随着激发光密度的增加,激发的光生载流子浓度增大,缺陷逐渐被光生载流子填满,致使快的载流子弛豫时间增大;慢的载流子弛豫时间随着抽运光密度增加而增大主要和带填充有关.不同抽运光延迟时间下ZnSe在太赫兹波段的瞬态电导率用Drude-Smith模型进行了很好的拟合.对ZnSe光致载流子动力学特性的研究为高速光电器件的设计和制造提供了重要的实验依据.     

硅基全光宽带太赫兹幅度调制器的研究

提出了一种基于掺金硅的全光学宽带太赫兹波幅度调制器, 研究了金(Au)点阵掺杂后硅(Si)体内的少数载流子寿命及其太赫兹波调制特性. 实验结果表明, 掺杂的Au原子为Si中的光生电子- 空穴对提供了有效复合中心, 使其少数载流子寿命由原来十几微秒降低至110 ns左右. 利用波长915 nm 调制激光作为抽运光源, 在340 GHz载波的动态调制测试中获得4.3 MHz的调制速率和21%的调制深度, 使Si基调制器的调制速率提高了两个数量级. 该全光太赫兹调制器可工作在整个太赫兹频段内, 具有极化不敏感特性, 因而在太赫兹波高速和宽带调控方面具有重要的应用价值, 也是构建光控型Si 基太赫兹功能器件的重要基础.     

Cd0.96Zn0.04Te光致载流子动力学特性的太赫兹光谱研究

采用光抽运-太赫兹探测技术研究Cd_0.96Zn_0.04Te的载流子弛豫和瞬:态电导率特性.在中心波长800 nm的飞秒抽运光激发下,Cd_0.96Zn_0.04Te的载流子弛豫过程用单指数函数进行了拟合,其载流子弛豫时间长达几个纳秒,且在一定光激发载流子浓度范围内随光激发载流子浓度的增大而减小,这与电子-空穴对的辐射复合有关.在低.光激发载流子浓度(4.51×10¹⁶—1.81×10¹⁷ cm^-3)下,Cd_0.96Zn_0.04Te的太赫兹(terahertz,THz)瞬态透射变化率不随光激发载流子浓度增大而变化,主要是由于陷阱填充效应造成的载流子损失与光激发新增的载流子数量近似.随着光激发载流子浓度继续增大(1.81×10¹⁷—1.44×10¹⁸ cm^-3),THz瞬态透射变化率随光激发载流子浓度的增大而线性增大,是由于缺陷逐渐被...     

不同中心波长飞秒脉冲激发InAs表面辐射太赫兹波的机理研究

研究了p型(100)InAs在不同中心波长飞秒激发光(750—850nm)作用下的太赫兹(THz)波辐射特性.这种太赫兹辐射的光谱性质与光学Dember效应密切相关,飞秒脉冲激发下产生的载流子在InAs表面的Dember场内做加速运动,从而辐射出THz电磁波.实验结果表明：不同中心波长的激发光作用下,InAs表面产生的Dember电场、光生载流子浓度、谷间散射效应以及处于不同状态的载流子数目都发生了变化,因而激发出太赫兹波的功率、振幅、频谱分布和有效谱宽是不同的.这项研究将有利于THz时域光谱技术以及实验     

不同中心波长飞秒脉冲激发InAs表面辐射太赫兹波的机理研究

研究了p型(100)InAs在不同中心波长飞秒激发光(750—850nm)作用下的太赫兹(THz)波辐射特性.这种太赫兹辐射的光谱性质与光学Dember效应密切相关，飞秒脉冲激发下产生的载流子在InAs表面的Dember场内做加速运动，从而辐射出THz电磁波.实验结果表明：不同中心波长的激发光作用下，InAs表面产生的Dember电场、光生载流子浓度、谷间散射效应以及处于不同状态的载流子数目都发生了变化，因而激发出太赫兹波的功率、振幅、频谱分布和有效谱宽是不同的.这项研究将有利于THz时域光谱技术以及实验     

Tunable anomalous Hall effect in a nonferromagnetic system

We measure the low-field Hall resistivity of a magnetically doped two-dimensional electron gas as a function of temperature and electrically gated carrier density. Comparing these results with the carrier density extracted from Shubnikov-de Haas oscillations reveals an excess Hall resistivity that increases with decreasing temperature. This excess Hall resistivity qualitatively tracks the paramagnetic polarization of the sample, in analogy to the ferromagnetic anomalous Hall effect. The data are consistent with skew scattering of carriers by disorder near the crossover to localization.     

Observation of Temperature Induced Plasma Frequency Shift in an Extremely Large Magnetoresistance Compound LaSb

We report an optical spectroscopy study on LaSb, a compound recently identified to exhibit extremely large magnetoresistance. Our optical measurement indicates that the material has a low carrier density. More interestingly, the study reveals that the plasma frequency increases with decreasing temperature. This phenomenon suggests either an increase of the conducting carrier density or/and a decrease of the effective mass of carriers with decreasing temperature. We attribute it primarily to the latter effect. T_(WO) possible scenarios on its physical origin are examined and discussed. The study offers new insight into the electronic structure of this compound.     

基于相对论电子束的太赫兹源

太赫兹辐射在基础科学和产业应用中具有重要的应用前景,但传统的电子学和光学方法难以在1～10 THz产生相干的高功率、窄带且连续可调的太赫兹辐射。基于相对论性超短电子束和预调制电子束序列的加速器太赫兹源将能在上述范围内产生可调的高能谱强度窄带太赫兹辐射。综述了清华大学加速器实验室近年来在基于相对论电子束的加速器太赫兹源方面的理论和实验进展,以及与加速器太赫兹源一起发展起来的太赫兹辐射测量、束流诊断和先进加速技术。     

THz emission from semiconductor surfaces

We provide a review of experimental and theoretical work on electromagnetic terahertz pulse emission from semiconductor surfaces excited by femtosecond laser radiation. The main terahertz emission mechanisms are analysed. The terahertz emission from InAs and Ge is explained by the photo-Dember effect and electric field induced optical rectification. Electronic band structure and carrier scattering mechanisms are investigated by means of terahertz emission and absorption spectroscopy in InAs, InSb and Ge. To cite this article: V.L. Malevich et al., C. R. Physique 9 (2008).     

Temperature relaxation and energy loss of hot carriers in graphene

The temperature relaxation and energy loss of hot Dirac fermions are investigated theoretically in graphene with carrier–optical phonon scattering. The time evolutions of temperature and energy loss for hot Dirac fermions in graphene are calculated self-consistently. It shows that the carrier–optical phonon coupling results in the energy relaxation of hot carriers excited by an electric field, and the relaxation time for temperature is about 0.5–1 ps and the corresponding energy loss is about 10–25 nW per carrier for typically doped graphene samples with a carrier density range of 1–5×10¹² cm^?2. Moreover, we analyze the dependence of temperature and energy relaxation on initial hot carrier temperature, lattice temperature and carrier density in detail.     

(110)-GaAs量子阱中光生载流子对电子自旋弛豫的影响

我们实验研究了(110)-GaAs量子阱中光生载流子对电子自旋弛豫的影响。通过测量量子阱的荧光寿命和光学吸收计算,我们能得到不同泵浦光功率下的带间吸收所产生的空穴浓度;相对应地,通过双色磁光科尔旋转技术,我们测量了该GaAs量子阱中电子自旋的动力学过程。结合两者,我们得到了电子自旋弛豫速率与空穴浓度的关系。实验结果表明电子自旋弛豫速率与空穴浓度呈线性依赖关系,验证了BirAronov-Pikus机制主导该体系的电子自旋弛豫。     

Thermal switching of the enhanced transmission of terahertz radiation through subwavelength apertures

We demonstrate that the extraordinary transmission of terahertz radiation through semiconductor gratings of subwavelength apertures can be switched completely by varying the temperature. The enhanced transmission, which is due to the resonant tunneling of surface plasmon polaritons that can be excited in semiconductors at terahertz frequencies, is controlled by thermally modifying the density of free carriers. The transmission through metal gratings cannot be switched in the same way since the carrier density is temperature independent. Thus semiconductors offer an interesting alternative to metals in enhancing the transmission of electromagnetic radiation.     

InGaN/GaN多量子阱LED载流子泄漏与温度关系研究

通过测量光电流,直接观察了InGaN/GaN量子阱中载流子的泄漏程度随温度升高的变化关系。当LED温度从300K升高到360K时,在相同的光照强度下,LED的光电流增大,说明在温度上升之后,载流子从量子阱中逃逸的数目更多,即载流子泄漏比例增大。同时,光电流的增大在激发密度较低的时候更为明显,而且光电流随温度的增加幅度与激发光子的能量有关。用量子阱-量子点复合模型能很好地解释所观察到的实验现象。实验结果直接证明,随着温度的升高,InGaN/GaN量子阱中的载流子泄漏将显著增加,而且在低激发密度下这一效应更为明显。温度升高导致的载流子泄漏增多是InGaN多量子阱LED发光效率随温度升高而降低的重要原因。     

Theoretical investigation of hot electron cooling process in GaAs/AlAs cylindrical quantum wire under the influence of an intense electromagnetic wave

Hot electrons cooling by phonons in GaAs/AlAs cylindrical quantum wire (CQW), under the influence of an intense electromagnetic wave (EMW), is studied theoretically. Analytic expression for the electron cooling power (CP) is derived from the quantum transport equation for phonons, using the Hamiltonian of interacting electron–optical phonon system. Both photon absorption and emission processes are considered. Numerical results show that the CP reaches maximum when the energy difference between electronic subbands equals the energy of an optical phonon plus the photon energy. Under the influence of the EMW, the negative CP is observed showing that electrons gain energy from phonon and photon instead of losing their energy. Also, the CP increases with increasing the EMW amplitude. Our results theoretically clarify the mechanism of the electron cooling process by phonons in the GaAs/AlAs CQW under the EMW, which is of significance for designing and fabricating high-speed nanoelectronic devices based on this material.