近日，上海大學(xué)理學(xué)院物理系馬國宏教授團(tuán)隊(duì)在光控超快太赫茲波調(diào)制方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Highly efficient ultrafast terahertz modulation enabled by unconventional carrier dynamics in HgTe semimetals”為題發(fā)表在國際知名光學(xué)期刊Laser & Photonics Reviews上。

太赫茲技術(shù)被普遍認(rèn)為是未來6G通信、成像與傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵發(fā)展方向之一。作為其核心器件，高速、低功耗的太赫茲波調(diào)制器直接承擔(dān)著太赫茲通信與傳感系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)控的重要功能。然而，該領(lǐng)域的發(fā)展仍面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)：缺乏理想的材料平臺(tái)與有效的主動(dòng)調(diào)控手段。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料(如Si、GaAs、CdTe等)雖具備較高的調(diào)制深度，但受限于載流子弛豫壽命，調(diào)制速度通常較慢;二維材料(如石墨烯、過渡金屬硫化物)雖具有超快瞬態(tài)響應(yīng)，但其原子級(jí)厚度限制了調(diào)制深度;而基于貴金屬(如Au、Ag)構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)構(gòu)或超表面，大多僅能實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)制，且存在器件損耗大、響應(yīng)遲緩等問題，難以滿足高速太赫茲器件的需求。因此，亟需發(fā)展一種兼具高效太赫茲調(diào)制能力與超快載流子弛豫特性，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、易于與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容的新型材料。

理論上，具有小有效質(zhì)量和長動(dòng)量散射時(shí)間的光載流子對(duì)太赫茲電場的吸收更為高效，而無帶隙的能帶結(jié)構(gòu)則有利于光載流子的快速弛豫?；谶@一認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)篩選了多種材料體系，最終選定半金屬HgTe作為候選材料，并利用光泵浦-太赫茲探測光譜系統(tǒng)，深入研究了HgTe薄膜的光控太赫茲調(diào)制特性及其瞬態(tài)光載流子動(dòng)力學(xué)行為。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在室溫條件下，HgTe薄膜對(duì)太赫茲波表現(xiàn)出極其靈敏的透射響應(yīng)：在僅1 μJ/cm2的激發(fā)通量下，調(diào)制深度即可達(dá)到28%;當(dāng)激發(fā)通量提高至21 μJ/cm2時(shí)，調(diào)制深度進(jìn)一步提升至73%。在5 K低溫條件下，僅需7 μJ/cm2的激發(fā)通量即可實(shí)現(xiàn)81%的調(diào)制深度。這些數(shù)值在同等實(shí)驗(yàn)條件下均為目前公開報(bào)道的單一材料體系中的最高記錄。此外，HgTe的光載流子弛豫壽命僅為14 ps，且基本不隨激發(fā)通量變化，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)70 GHz的調(diào)制速度。通過理論分析與數(shù)值模擬，研究揭示了HgTe優(yōu)異的太赫茲調(diào)制能力主要源于其半金屬特性，其中輕空穴帶上的載流子在光電導(dǎo)響應(yīng)中起主導(dǎo)作用。該研究不僅深化了對(duì)HgTe中光載流子弛豫機(jī)制的理解，也凸顯了HgTe薄膜在低功耗、全光控超快太赫茲開關(guān)器件方面的巨大應(yīng)用潛力。

審核編輯 黃宇