太赫兹表面等离激元现象在二维半导体PCS中的SPPs谐振特性

在THz波段,当半导体材料的载流子浓度很高时,其复介电常数的实部为负值,表现出类金属行为。例如,在高掺杂浓度的单晶硅薄片上制作的PCS中,观察到了SPPs谐振的显著增强效应。相对应地,低载流子浓度的半导体材料(例如高阻硅),其复介电常数的实部为正值,表现出类似绝缘体的介电特性,从而不支持SPPs。在本节中,我们通过光控方法调控半导体PCS中的载流子浓度,使得半导体PCS属性由类绝缘体特性转化为类金属特性,从而在低载流子浓度的半导体PCS中实现SPPs谐振增强效应。在实验中通过改变激光激励强度观察到了THz波从光子晶体效应转换到SPPs效应。

在实验中,我们使用面积为10 mm×10 mm、厚度为30μm的n型单晶硅片PCS,其电阻率为10Ω·cm,载流子浓度为4×1014cm-3。在TDS系统中,THz源采用2 mm Zn Te晶体,其产生带宽为2.5 THz的太赫兹脉冲;探测器采用1 mm Zn Te晶体。n型单晶硅片PCS由周期为160μm的椭圆孔(80μm×40μm)构成。图4-1所示为利用激光泵浦-THz波探测系统观察半导体PCS示意图。飞秒激光脉冲通过缩束产生直径为1.8 mm的光斑,并准直照射在PCS样品上,用于光控单晶硅表面(约10μm厚)的载流子浓度(改变复介电常数)。为保证THz脉冲经过的样品表面的载流子分布均匀,要求聚焦在样品表面的THz脉冲与激光光斑重合。

图4-1　利用激光泵浦-THz波探测系统观察半导体PCS示意图

在111 m W激光激励下,THz脉冲通过单晶硅PCS随频率变化的振幅传输系数即THz电场经过孔阵列和直接穿过空气的传输振幅之比:|E sam(ω)/E air(ω)|(图4-2)。垂直和平行于椭圆孔长轴方向的两个孔阵列的SPPs谐振频率分别为1.50 THz([±1,0])和1.85 THz([0,±1]),对应的能量归一化透射率分别为460%和137%,这证明了SPPs谐振的增强效应。在1.95 THz处的波谷为Wood’s Anomalies效应。在正入射条件下,具有金属特性的PCS的SPPs谐振波长表示为式中,L为PCS的周期;ε1和ε2分别为THz波入射界面处两种材料的介电常数(由于介质为空气,ε1=1;对于激光激励下具有金属特性的硅,ε2=εr2+iεi2);m和n是整数(模式数)。

图4-2　入射THz电场方向分别垂直(蓝色)和平行(红色)于椭圆孔长轴方向,在111 mW激光激励下,THz脉冲通过单晶硅PCS的振幅传输系数随THz频率变化的关系曲线(圆点和方点为实验值,实线为采用Fano模型的理论拟合值)

在PCS中,THz波的传输由两种散射效应相互作用所决定:处于连续状态的电磁波和介质之间的直接散射过程和处于离散状态的电磁波和介质之间的共振响应过程(SPPs谐振效应)。整个过程可以用Fano模型来描述:

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式中,εν=(ω-ων)/(Γν/2),ων为响应频率,Γν为线宽;|T b|是来自零阶连续散射态的透射率。离散的共振态由响应频率ων、线宽Γν以及Breit-Wigner-Fano耦合系数来表征。图4-2的实线给出了基于Fano模型的拟合结果,理论值与实验值吻合较好。

当用一定强度的激光照射单晶硅时,其复介电常数的实部由正变负,表现出明显的金属特性。例如,用111 m W的激光入射低载流子浓度的半导体PCS,其THz脉冲传输特性表现出异常增强效应,这是由SPPs谐振增强效应引起的。当频率高于0.8 THz时,硅的复介电常数符合Drude-Smith模型,其电导率可表述为

式中,为等离子体频率,N为载流子密度,m*为载流子的有效质量,e为电子电荷,ε0为真空介电常数;τ为载流子弛豫时间;C n为n阶比例系数。根据介电函数与电导率的关系,ε(ω)=εr+iεi=ε∞+iσi(ω)/ωε0,可以得到相应的Drude-Smith复介电常数的理论值。取τ=0.20 ps,C 1=-0.98,则载流子浓度N=9.9×1017cm-3。

实验中,激光激励强度从0 m W逐步增加到111 m W,则THz脉冲经历从光子晶体效应到SPPs谐振效应的动态演变过程。图4-3是在1.50 THz处,单晶硅的复介电常数随激光激励强度变化的实验测量结果。从图中可看出,复介电常数实部的变化过程与激光激励强度密切相关。当激光激励强度大于3 m W时,硅表现出金属特性,透射系数表现出SPPs谐振增强效应。图4-4是不同激光激励强度下THz脉冲通过单晶硅PCS的频谱曲线。在激光激励强度较弱的情况下,THz脉冲传输特性表现为光子晶体效应,谐振频率分别为0.97 THz、1.40 THz和1.78 THz。当激光激励强度增加时,SPPs谐振效应逐步增强,光子晶体效应则逐步减弱。继续增加激光激励强度,SPPs谐振峰发生红移,而传输振幅进一步增强。此外,在12.5 m W时,1.60 THz附近出现新的谐振峰(SPPs振荡),这是由于硅PCS的金属特性随着激光激励强度的增加而增强。当激光激励强度达到25 m W时,THz脉冲能量传输透射率为25.5%。当激光激励强度增加到111 mW时,其能量传输透射率增至45%,对应于460%的高归一化透射率。

图4-3　在1.50 THz处,单晶硅的复介电常数随激光激励强度变化的实验测量结果(其中圆点和方点分别对应复介电常数的实部和虚部)

图4-4　不同激光激励强度下THz脉冲通过单晶硅PCS的频谱曲线