调制增强效应：二硫化钼纳米晶

在4.4.2小节中提到,在蓝宝石基底上生长的二硫化钼纳米晶对THz波并没有调制效果,这说明在蓝宝石基底上生长的二硫化钼纳米晶的等离子频率ωp小于THz波的频率,即其对应的光生载流子浓度也不高。因为蓝宝石是绝缘体,无法产生光生载流子,这说明二硫化钼纳米晶本身在弱光泵浦调制下无法提供足够高的载流子浓度和电导率。生长在蓝宝石基底上的二维材料只有通过飞秒激光泵浦在超短时间内达到瞬间强功率,才可能调制THz波。然而,在低功率连续波激光泵浦辐照下,生长在蓝宝石基底上的二硫化钼纳米晶并不能调制THz波。同时,在0.24 W/cm2的相同泵浦光辐照下,硅基底的光生载流子效应也并不明显,这说明硅基底上生长的二硫化钼纳米晶改变了硅与二硫化钼界面的物性。因此,我们可以将二硫化钼纳米晶看作是一种“催化剂”,其帮助二硫化钼纳米晶与硅基底表面产生更多的光生载流子。其“催化”机理归因于二硫化钼和硅基底之间的迁移率和带隙的差异。单层二硫化钼(1.86 eV,676 nm)比单晶硅(1.12 eV,1 120 nm)具有更高的迁移率和更大的带隙,二硫化钼与硅基底接触形成异质结构,这种异质结构可以有效地把硅基底的间接带隙转化为直接带隙。当用532 nm的泵浦光辐照激发这种异质结构中的电子-空穴对时,大部分光生载流子在硅基底的耗尽层中产生。由于二硫化钼的载流子迁移率和寿命更高,大部分光生载流子从空间电荷区快速迁移,聚集在二硫化钼和硅基底的界面上。在这个过程中,532 nm的泵浦光与电子在硅基底和异质结构的耗尽层中相互作用的能力要远强于硅基底(因为变成了直接带隙),因而更多的532 nm的泵浦光被异质结构吸收,产生了更多的光生载流子。这种“催化”作用才是硅基二硫化钼纳米晶调制增强的原因。

这个“催化”机理也可以完美解释他人工作中的光泵浦调制原理。比如,在天津大学太赫兹研究中心相关的工作中,石墨烯仅在光泵浦条件下不能有效地“催化”载流子的生成[11]。但是,同时施加负偏压使得载流子大量聚集到石墨烯与硅之间的界面中,提高了器件对THz波的调制深度。而在电子科技大学文岐业教授的报道中,相对于硅,锗的载流子更容易受激产生,因此,即使没有石墨烯,锗也可以实现对THz波的高效调制[12]。而当在锗基底上生长石墨烯时,通过“催化”作用可以使器件达到更大的调制深度。当然,与石墨烯相比,硅基二硫化钼纳米晶的“催化”效率更高。(www.xing528.com)

本节主要介绍了基于二硫化钼纳米晶的太赫兹光泵浦调制器。在532 nm连续波激光器的低泵浦光功率(0.24 W/cm2)辐照下,对宽带太赫兹波实现了高达75%的调制。通过理论模型和数值模拟计算,证明了这种异质结构对THz波的宽带调制效应源于光生载流子的“催化”效应,即二硫化钼与硅基底形成的异质结构使得二硫化钼能够在硅基底表面上“催化”产生更多光生载流子。