Journal of Nanoscience & Nanotechnology Research Открытый доступ

Абстрактный

Терагерцовое излучение света и лазерная генерация в управляемых током двумерных нано- и плазмонных структурах на основе графена

Тайити Оцудзи

Абстрактный

Графен привлек значительное внимание благодаря своему безмассовому и бесщелевому энергетическому спектру фермионов Дирака, а также сильным взаимодействиям света с веществом посредством плазмон-поляритонов. В этой статье освещаются последние достижения в терагерцовом (ТГц) излучении света и лазерной генерации в управляемых током двумерных наноструктурах на основе графена. Структура двухзатворного графенового канального транзистора (DG-GFET) способствует инверсии населенности носителей в боковых штыревых переходах в условиях комплементарного смещения двухзатворного и прямого стока, способствуя спонтанному некогерентному излучению ТГц света. Структура лазерного резонатора, реализованная в активной области усиления, может превзойти некогерентное излучение света до одномодовой лазерной генерации. Мы спроектировали и изготовили распределенную обратную связь (DFB) DG-GFET. Канал GFET состоит из двухслойного (неберналовского) эпитаксиального графена, обеспечивающего внутреннюю подвижность полевого эффекта, превышающую 100 000 см2/Вс. DG в форме зубчатой ​​щетки образует полость DFB, имеющую основную моду на частоте 4,96 ТГц. ТГц-излучение от образца измерялось с помощью спектрометра с преобразованием Фурье и охлаждаемым болометром Si с температурой 4,2 К. Широкополосное довольно интенсивное (~10 мкВт) усиленное спонтанное излучение от 1 до 7,6 ТГц и слабая (~0,1 мкВт) одномодовая генерация на частоте 5,2 ТГц наблюдались при температуре 100 К в различных образцах. Текущая структура обеспечивает слабое перекрытие усиления из-за плохого ограничения поля фотонов ТГц, что приводит к широкому изменению от одномодовой генерации до широкополосной некогерентной эмиссии в зависимости от качества графена (времени релаксации импульса носителя). В настоящее время ведутся дальнейшие усовершенствования.

Заключение и значение: Накачка графена инжекцией носителей заряда может обеспечить отрицательно-динамическую проводимость в диапазоне ТГц, что может привести к новому типу ТГц-лазеров. Управляемые током плазмонные нестабильности в структурах GFET с двойным решеточным затвором, а также плазмонно-ассистируемое резонансное туннелирование в управляемых двухслойных графеновых наноконденсаторных структурах могут способствовать генерации и усилению ТГц-волн, что приводит к интенсивной ТГц-лазерной генерации при комнатной температуре.

Автор благодарит В. Рыжого, С. А. Бубанга-Томбета, Т. Ватанабе, А. Сато, Д. Ядава, Г. Тамамуси, М. Рыжого, А. А. Дубинова, В. В. Попова, В. Митина и М. С. Шура за их вклад. Эта работа поддерживается JSPS KAKENHI № 16H06361 и № 18H05331, Япония.