研究背景

在第五代（5G）技術(shù)的基礎(chǔ)上，第六代（6G）網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展正推動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)邁向更高的數(shù)據(jù)吞吐量和更低的延遲。6G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將在太赫茲（THz）頻段運(yùn)行，這為實(shí)現(xiàn)超高速通信和精確傳感提供了巨大潛力。然而，太赫茲傳感技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨一系列挑戰(zhàn)，尤其是傳統(tǒng)太赫茲傳感器在頻率選擇性方面的不足，這限制了它們?cè)?G網(wǎng)絡(luò)中的有效應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，這些傳感器常常受到高噪聲、低響應(yīng)度和低頻譜效率的限制，這些問(wèn)題使得它們難以準(zhǔn)確檢測(cè)和區(qū)分太赫茲波段內(nèi)的信號(hào)。此外，現(xiàn)有的頻率選擇性檢測(cè)技術(shù)往往缺乏設(shè)計(jì)靈活性，且在大批量制造微米級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)面臨成本高和可擴(kuò)展性不足的挑戰(zhàn)。為了克服這些問(wèn)題，本研究提出了一種新型的太赫茲傳感器，該傳感器利用3D打印技術(shù)和拓?fù)洳牧螹oTe2的特性，通過(guò)磁場(chǎng)增強(qiáng)來(lái)提升頻率選擇性檢測(cè)的性能，旨在為6G通信技術(shù)提供一種高靈敏度、高效率的太赫茲傳感解決方案。

文章概述

近日由聊城大學(xué)宋琦副教授，深圳大學(xué)張敏副教授，南京大學(xué)陸延青教授、陳偉研究員聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)3D打印技術(shù)和磁場(chǎng)增強(qiáng)的頻率選擇性太赫茲傳感器。該傳感器采用Au增強(qiáng)的MoTe2活性層，實(shí)現(xiàn)了在0.145 mT磁場(chǎng)下0.1 THz頻率的顯著性能提升。傳感器在0.1 THz頻率下光學(xué)響應(yīng)率提高了413.23%，噪聲等效功率降低了80.51%，探測(cè)率達(dá)到3.30 × 1010cm·Hz1/2·W-1，顯示出在6G通信技術(shù)中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖文導(dǎo)讀

三維微結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)陣列（螺旋階梯）的基礎(chǔ)上利用外加磁場(chǎng)和光場(chǎng)提升器件的響應(yīng)時(shí)間。螺旋階梯的加工參數(shù)如圖1所示，設(shè)計(jì)了四個(gè)不同高度的螺旋階梯，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率太赫茲波的響應(yīng)。從圖1的模擬結(jié)果可以明顯看出，不同階梯對(duì)于頻率為0.28 THz的太赫茲波的表面電場(chǎng)束縛程度不同。這一模擬結(jié)果也說(shuō)明了器件具有分頻率探測(cè)的特性。圖2中顯示了3D微結(jié)構(gòu)打印的加工效果，從圖中可以看出，微結(jié)構(gòu)加工的精度較高，成型效果較好，這種加工方案對(duì)于制備可重復(fù)性高、具有一定工業(yè)化加工前景的大面積太赫茲波器件具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1.螺旋階梯設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖、單元結(jié)構(gòu)電鏡圖及0.28 THz下表面電場(chǎng)分布

圖2.面投影微立體技術(shù)加工的三維螺旋階梯微結(jié)構(gòu)陣列CCD圖

圖3.器件在不同外場(chǎng)作用下的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果

圖3顯示了器件在不同外場(chǎng)作用下的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果，由于器件是三維結(jié)構(gòu)，在與入射太赫茲波垂直的z方向上具有一定的高度，因此，載流子傳輸過(guò)程一定會(huì)比平面內(nèi)的二維結(jié)構(gòu)更長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在未施加任何外場(chǎng)的情況下，器件的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2.8 s左右，這樣的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于器件來(lái)說(shuō)沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值，即便器件的有效面積為20 mm×10 mm。為了解決響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，提出外加磁場(chǎng)或者光場(chǎng)提升器件中載流子的遷移效率，從而提升器件的響應(yīng)時(shí)間。針對(duì)這一假設(shè)，我們進(jìn)行了可行性分析的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在施加0.145 mT的磁場(chǎng)之后，器件的響應(yīng)時(shí)間提升至90 ms，在入射532 mn的80 mW的激光之后，器件的響應(yīng)時(shí)間提升至82 ms，當(dāng)磁場(chǎng)和光場(chǎng)同時(shí)施加之后，器件的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步減小達(dá)到了70 ms左右，由此可見響應(yīng)時(shí)間比無(wú)外場(chǎng)時(shí)提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，ms量級(jí)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于厘米級(jí)有效面積的器件來(lái)說(shuō)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

結(jié)論

團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種新型6G太赫茲傳感器，該傳感器采用3D打印的微螺旋階梯陣列結(jié)構(gòu)，并集成了MoTe2活性層，能夠在0.145 mT的磁場(chǎng)下顯著提升光響應(yīng)度和降低噪聲等效功率，實(shí)現(xiàn)高探測(cè)率。這種傳感器不僅增強(qiáng)了太赫茲波的頻率選擇性，還提高了對(duì)低能量太赫茲光子的感測(cè)能力。該研究展示了該傳感器在6G技術(shù)中管理超高數(shù)據(jù)量、實(shí)現(xiàn)高精度定位和高分辨率傳感的潛力。其應(yīng)用預(yù)計(jì)將顯著提升通信與傳感性能，未來(lái)可為構(gòu)建更加互聯(lián)、高效響應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施提供技術(shù)支持。

審核編輯 黃宇