АНТЕННА ТЕРАГЕРЦОВОГО ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2014 года по МПК G01N21/3581 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к антенне терагерцового частотного диапазона. Точнее говоря, оно относится к перестраиваемой антенне терагерцового частотного диапазона на основе полупроводникового материала.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Применительно к настоящей заявке термин терагерцовый частотный диапазон обозначает диапазон электромагнитных частот между 0,1 и 30 ТГц. Этот частотный диапазон соответствует диапазону длин волны между 10 и 3000 мкм или диапазону энергий от 0,4 до 120 мэВ. Терагерцовый частотный диапазон, соответственно, располагается в промежутке между инфракрасным излучением и микроволновым излучением. Терагерцовые частоты предлагают важные научные и технологические применения в отношении, например, технологии измерения, технологии формирования изображений, технологии связи и спектроскопии. Например, недавние успехи в терагерцовой спектроскопии с временным разрешением позволили изучение процессов проводимости в новых органических и неорганических материалах электронной чистоты с пикосекундным разрешением.

Диапазон участвующих низкоэнергетических возбуждений делает возможным неразрушающий контроль целого ряда материалов. Кроме того, поскольку длины электромагнитных волн в терагерцовом частотном диапазоне допускают возбуждение низкочастотных характеров колебаний в средах конденсированной фазы, а также колебательные и вращательные переходы в молекулах, часто происходит характерное взаимодействие, так что спектр поглощения терагерцовой частоты предоставляет след исследуемых молекул.

Благодаря этим свойствам электромагнитного терагерцового излучения оно может, например, успешно использоваться для выполнения спектроскопии химических и биологических молекул и веществ, которые содержат резонансные частоты, являющиеся слишком низкими для обнаружения другими известными средствами, например инфракрасной спектроскопией. Уже описано, что спектроскопия терагерцового частотного диапазона предоставляет интересные особенности в отношении фармацевтических применений и в отношении применений безопасности, например обнаружение взрывчатых веществ и т.п.

Однако, хотя имеется много интересных применений, которые могли бы выгодно использовать электромагнитный терагерцовый частотный диапазон, к настоящему времени реализовано только несколько способов и устройств, использующих терагерцовые частоты. Частично это происходит от того, что измерение на терагерцовых частотах формулирует новые проблемы, которые нужно решить, например, перед тем, как устройства терагерцовой спектроскопии могут быть реализованы удобным и компактным способом. Одна проблема, которая возникает применительно к терагерцовой спектроскопии, состоит в том, что известные настольные терагерцовые источники обеспечивают относительно низкую мощность. Это приводит к ограниченной чувствительности известных устройств. Таким образом, чтобы использовать многообещающие особенности, предложенные терагерцовым частотным диапазоном для новых применений, нужно будет разработать устройства, которые предлагают более высокую чувствительность обнаружения и избирательность в отношении таких частот.

В отношении применений в других частотных диапазонах электромагнитного частотного спектра, в частности для оптического частотного диапазона, разработаны антенны, которые используют плазмонные резонансы. Например, показано, что подходящие структуры с плазмонным резонансом можно создать с помощью металлических структур. Выполнены исследования, в которых антенны этого типа показали улучшенное взаимодействие с входящим полем и в которых продемонстрирована теоретическая пригодность таких антенн для целей измерения в оптическом частотном диапазоне. В отношении длин волн при 10 мкм уже продемонстрировано измерение с использованием металлических наностержней, плазмонный резонанс которых может присоединяться к колебательным резонансам материала, который нужно обнаружить. Однако на терагерцовых частотах металлы имеют большое значение диэлектрической проницаемости (как в действительной части, так и в мнимой части), и, соответственно, известные идеи не подходят для предоставления антенн терагерцового частотного диапазона.

US 5729017 описывает генераторы импульсов и детекторы для дальней инфракрасной области, которые функционируют в терагерцовом диапазоне. Эти устройства опираются на взаимодействия электрического поля с пучками света в смещенных металлических полупроводниковых микроструктурах. Электрическое поле создается между металлическими электродами на полупроводниковой поверхности, где электрическое поле усиливается путем конфигурирования геометрии межэлектродного зазора с помощью особенностей остроконечных электродов.

Yano и др. (Journal of Applied Physics 97, 103103 (2005)) описывают обнаружение терагерцовой волны с помощью фотопроводящих антенн, где две металлические фотопроводящие антенны (симметричная треугольная и вибраторная антенны) предоставляются на одной и той же подложке GaAs.

Gomez Rivas и др. (Applied Physics Letters 88, 082106 (2006)) описывают оптику с низкочастотными активными поверхностными плазмонами на полупроводниках. Поверхность полупроводника может снабжаться решетками и может управляться в качестве переключателя в оптических устройствах с низкочастотными поверхностными плазмонами. Переключение выполняется путем изменения температуры полупроводникового устройства.

Nagel и др. (Journal of Physics: Condensed Matter 18, S601-S618 (2006)) описывают биологические применения терагерцовой технологии и, в частности, терагерцовые системы биологических датчиков на основе фемтосекундных лазеров. Предоставляются технологии для формирования, передачи и обнаружения терагерцовых сигналов и их применение для безмаркерного обнаружения биомолекул на функциональных поверхностях в сухих и жидких средах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения - предоставить антенну терагерцового частотного диапазона, электронную систему с такой антенной и систему для нахождения отличий между терагерцовым сигналом и фоновым шумом, которые допускают обеспечение высоких степеней чувствительности и избирательности. Дополнительно устройства должны быть перестраиваемыми в отношении их рабочих частот.

Эта цель достигается с помощью антенны терагерцового частотного диапазона по п.1. Антенна терагерцового частотного диапазона предпочтительно содержит полупроводниковую пленку, имеющую поверхность, приспособленную для проявления поверхностных плазмонов в терагерцовом частотном диапазоне. Поверхность полупроводниковой пленки структурируется для образования конструкции антенны, выполненной с возможностью поддержки локализованных поверхностных плазмонных резонансов в терагерцовом частотном диапазоне. Поскольку антенна терагерцового частотного диапазона содержит полупроводниковую пленку, концентрацию носителей и/или подвижность носителей в материале можно легко менять, например, путем изменений в температуре, приложенных электрических напряжениях, оптическом возбуждении и т.п. Таким образом, резонансную частоту поверхностных плазмонов можно без труда регулировать/настраивать. Плазмонные резонансы сильно зависят от диэлектрической постоянной антенны и ее диэлектрического окружения. Дополнительно конструкцию антенны можно легко структурировать на или в поверхности полупроводниковой пленки с использованием методик полупроводниковой обработки современного уровня техники, например литографии и сухого и/или влажного травления. Кроме того, существуют подходящие полупроводниковые материалы, которые на терагерцовых частотах имеют значения диэлектрической проницаемости, соответствующие значениям диэлектрической проницаемости металлов на оптических частотах. Обнаружено, что антенны терагерцового частотного диапазона, изготовленные из полупроводниковых материалов, имеющих плазменный резонанс в терагерцовом частотном диапазоне, могут обеспечивать улучшенную чувствительность обнаружения. Путем подходящего исполнения конструкции антенны можно локально расширить электрическое поле локализованного поверхностного плазмонного резонанса, что в применениях с датчиками вызывает повышенное взаимодействие между терагерцовым излучением и объектом измерения. В результате предполагается улучшенная чувствительность. Дополнительно с помощью такой антенны терагерцового частотного диапазона можно настроить усиления поля и можно сдвинуть резонансы.

Предпочтительно, чтобы конструкция антенны содержала по меньшей мере два элемента, структурированные в или на поверхности полупроводниковой пленки и разнесенные друг от друга в направлении параллельно поверхности полупроводниковой пленки на некоторый зазор. Показано, что такая конструкция допускает формирование локального усиления электрического поля на несколько порядков величины из-за плазмонных резонансов в терагерцовом режиме. Более того, достигнутое усиление электрического поля зависит от формы конструкции антенны и размера зазора. Таким образом, усиление электрического поля можно удобно настраивать путем изменения этих параметров. Зазор следует организовать в направлении возбуждения поверхностных плазмонов.

Предпочтительно, чтобы зазор имел ширину в диапазоне между 10 нм и 10 мкм, предпочтительно между 50 нм и 200 нм. Обнаружено, что такая ширина зазора обеспечивает подходящие усиления электрического поля.

Если конструкция антенны состоит из такого же материала, как и полупроводниковая пленка, то конструкцию антенны можно без труда структурировать в поверхности полупроводниковой пленки с помощью известных методик полупроводниковой обработки.

Предпочтительно, чтобы конструкция антенны имела размеры порядка 10 мкм - 1000 мкм в направлениях, параллельных поверхности полупроводниковой пленки, и размеры порядка 0,5 мкм - 100 мкм в направлении, перпендикулярном поверхности полупроводниковой пленки. Обнаружено, что конструкции антенны, содержащие эти размеры, особенно подходят для достижения нужного усиления поля и локализации поверхностных плазмонных резонансов.

В соответствии с одной особенностью предоставляется функционализированная поверхность, приспособленная для присоединения заранее установленных молекул. Функционализированная поверхность предпочтительно может предоставляться в области вокруг конструкции антенны и/или в области зазора. В этом случае химические соединения, содержащие заранее установленные молекулы, можно распознать с конкретной надежностью.

Предпочтительно, чтобы полупроводниковая пленка обладала толщиной в диапазоне между 0,5 мкм и 300 мкм. Обнаружено, что полупроводниковые пленки, имеющие такую толщину в несколько мкм, особенно подходят для проявления применяемых поверхностных плазмонных резонансов.

Предпочтительно, чтобы полупроводниковая пленка размещалась на подложке, которая прозрачна для электромагнитного излучения в терагерцовом частотном диапазоне. Подходящей подложкой является кварц. В этом случае могут надежно формироваться поверхностные плазмонные резонансы в терагерцовом частотном диапазоне.

Если антенна терагерцового частотного диапазона приспособлена для вставки между генератором терагерцовой частоты и терагерцовым частотным детектором, то терагерцовые поверхностные плазмоны можно надежно создать на поверхности полупроводника, и взаимодействие в области антенны можно обнаружить с помощью терагерцового частотного детектора.

Предпочтительно, чтобы антенна терагерцового частотного диапазона содержала пьезоэлектрическую подложку или пьезоэлектрический промежуточный слой. Например, на такой пьезоэлектрической конструкции может быть образована полупроводниковая пленка. В этом случае размеры и/или форму конструкции антенны можно менять, используя пьезоэлектрические свойства пьезоэлектрического элемента. В результате настройка свойств антенны достигается очень удобным способом.

Предпочтительно, чтобы полупроводниковая пленка в качестве основного вещества содержала InSb или InAs (или любой полупроводниковый материал с высокой подвижностью). Эти полупроводниковые материалы особенно подходят для применения из-за их узкой запрещенной зоны, низкой эффективной массы электрона и высокой подвижности электронов. Это делает возможным резкие и вполне определенные резонансы. Однако следует отметить, что также возможно использование других полупроводниковых материалов III-V (с меньшими предполагаемыми эффективностями). Термин "основное вещество" используется для разъяснения, что полупроводниковая пленка не обязательно должна содержать чистое вещество, а возможны (и даже нужны) легирование (которое обычно применяется на практике в отношении полупроводников) или другие модификации.

Предпочтительно, чтобы конструкция антенны организовывалась так, что электрическое поле поверхностных плазмонных резонансов локально усиливалось в области конструкции антенны. В этом случае достигается повышенная чувствительность. Такого усиления можно добиться, например, с помощью конструкции антенны, содержащей две части, разделенные зазором в направлении возбуждения поверхностных плазмонов. Усиление может дополнительно достигаться с помощью конструкции антенны, содержащей по меньшей мере один острый угол.

Предпочтительно, чтобы антенна была организована в решетку (периодическую или апериодическую), чтобы увеличить интенсивность отклика антенны путем объединения отклика нескольких антенн.

Цель также достигается с помощью (опто)электронной системы, функционирующей в терагерцовом частотном диапазоне, содержащей такую антенну терагерцового частотного диапазона. Электронная система добивается преимуществ, которые описаны выше относительно антенны терагерцового частотного диапазона. Предпочтительно, чтобы система являлась одной из системы обнаружения, системы связи, системы формирования изображений, системы обработки сигналов и системы модуляции света.

Цель также достигается с помощью системы для нахождения отличий между терагерцовым сигналом и фоновым шумом, содержащей: модулятор, содержащий антенну терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-11, причем модулятор приспособлен так, что резонанс поверхностных плазмонов в области антенны терагерцового частотного диапазона настраивается с заранее установленной частотой модуляции, а система дополнительно содержит детектор, управляемый по заранее установленной частоте модуляции. В этом случае детектор фиксируется на модуляции, предусмотренной для антенны терагерцового частотного диапазона. Таким образом, достигается обнаружение с высокой избирательностью и высокой чувствительностью.

Цель также достигается с помощью способа по п.15 для настройки отклика антенны терагерцового частотного диапазона. Способ содержит этап настройки отклика путем изменения геометрии конструкции антенны или путем изменения характеристик материала полупроводниковой пленки. Геометрию конструкции антенны можно изменять, например, во время работы путем использования пьезоэлектрической конструкции. Характеристики материала полупроводниковой пленки, которые можно изменять, содержат, например, концентрацию носителей, подвижность носителей и т.п.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения появятся из подробного описания вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.

Фиг.1 схематически показывает в боковой проекции антенну терагерцового частотного диапазона вместе с генератором терагерцовой частоты и терагерцовым частотным детектором.

Фиг.2а схематически показывает вид сверху области конструкции антенны у антенны терагерцового частотного диапазона в первой реализации.

Фиг.2b схематически показывает вид сверху области конструкции антенны у антенны терагерцового частотного диапазона во второй реализации.

Фиг.3а иллюстрирует напряженности электрических полей поверхностных плазмонных резонансов для конструкции антенны, аналогичной фиг.2а.

Фиг.3b иллюстрирует напряженности электрических полей поверхностных плазмонных резонансов для конструкции антенны, аналогичной фиг.2b.

Фиг.4 иллюстрирует достигнутое усиление напряженности электрических полей в области зазора для конструкции антенны, аналогичной фиг.2а, для разных размеров конструкции антенны.

Фиг.5 иллюстрирует усиление электрического поля в зазоре в зависимости от электронной концентрации для разных ширин зазора.

Фиг.6 иллюстрирует нормализованную эффективную площадь рассеяния в зависимости от частоты для разных концентраций носителей заряда.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Вариант осуществления сейчас будет описываться со ссылкой на чертежи. Антенна 1 терагерцового частотного диапазона в соответствии с вариантом осуществления схематически показана на фиг.1. Антенна 1 терагерцового частотного диапазона содержит подложку 2, на которую наносится тонкая полупроводниковая пленка 3. Подложка 2 изготовлена из материала, который прозрачен относительно электромагнитного излучения, имеющего частоты в терагерцовом частотном диапазоне, например из кварца или другого такого материала. Полупроводниковая пленка 3 имеет толщину d (в вертикальном направлении фиг.1, то есть в направлении, вертикальном к плоскости, в которой простирается подложка) в несколько мкм, например, между 0,5 мкм и 100 мкм, по возможности вплоть до 300 мкм. В соответствии с вариантом осуществления полупроводниковая пленка 3 содержит InSb (индий/сурьма) в качестве основного вещества. Однако полупроводниковая пленка 3 не ограничивается чистым InSb, а также возможно и даже может быть предпочтительным легированное вещество, как станет понятно из нижеследующего описания. Полупроводниковая пленка 3 может наноситься на подложку 2 множеством способов, известных в данной области техники, например напылением, испарением, осаждением из паровой фазы и т.п. Дополнительно полупроводниковая пленка 3 может отжигаться, как известно в данной области техники, для точной настройки свойств полупроводникового материала.

В качестве альтернативы описанному InSb полупроводниковая пленка 3 также может быть образована из InAs (арсенид индия) в качестве основного вещества или другого подходящего полупроводникового материала. Однако следует отметить, что InSb и InAs являются предпочтительными основными веществами из-за их узкой запрещенной зоны, низкой эффективной массы электрона и высокой подвижности электронов. Как станет очевидно из нижеследующего описания, эти особенности делают возможными резкие и вполне определенные поверхностные плазмонные резонансы. Полупроводниковая пленка 3 выбирается, так как диэлектрическая проницаемость на терагерцовых частотах материала является подходящей для вызова коллективного движения электронов на границах разделов (поверхностных плазмонных поляритонах). Таким образом, в этой связи материалы демонстрируют свойства на терагерцовых частотах, аналогичные таковым у металлов на оптических частотах.

Поверхность полупроводниковой пленки 3 обрабатывается под конструкцию 4 антенны. Конструкция 4 антенны создается на полупроводниковой пленке 3 с помощью известных методик полупроводниковой обработки, например оптической литографии и сухого и/или влажного травления. Конструкция 4 антенны состоит из такого же материала, как и полупроводниковая пленка 3, и структурируется в или на ее поверхности соответственно. Предпочтительно, чтобы полупроводниковая пленка полностью вытравливалась/прорезалась, и антенны отделялись друг от друга диэлектриком, причем антенны выступают из поверхности. Конструкция 4 антенны может изготавливаться по известным технологиям микрообработки, доступным на тонкопленочных средствах.

В соответствии с вариантом осуществления конструкция 4 антенны содержит два элемента 4а и 4b, которые располагаются разнесенными друг от друга на небольшой зазор g в направлении вдоль поверхности полупроводниковой пленки 3. Элементы 4a и 4b могут быть выполнены в виде разных форм, если смотреть сверху поверхности полупроводниковой пленки 3, которые будут описываться со ссылкой на фиг.2а и 2b. Два примера формы конструкции 4 антенны схематически показаны на фиг.2a и 2b соответственно. Однако следует отметить, что формы, показанные на фиг.2a и 2b, являются лишь примерами и не предназначены для ограничения объема этого раскрытия изобретения. Возможны многие другие формы. Два элементы 4a и 4b размещаются так, что зазор g ориентирован в направлении возбуждения поверхностных плазмонов в полупроводниковой пленке 3.

Фиг.2a показывает пример, в котором элементы 4a и 4b в конструкции 4 антенны имеют форму прямоугольника, тогда как фиг.2b показывает пример, в котором элементы 4a и 4b в конструкции 4 антенны имеют форму треугольника (с вершинами соответствующих треугольников, указывающими друг на друга и окружающими зазор g). Поскольку конструкция 4 антенны содержит элементы 4a и 4b, отделенные зазором g, она образует дипольную (вибраторную) антенну. Следует отметить, что острые углы элементов 4a и 4b (например, как в случае фиг.2b) предпочтительны из-за того, что острые углы приводят к преимущественно усиленному электрическому полю в области зазора, как будет описываться ниже.

Элементы 4a и 4b в конструкции 4 антенны имеют размеры между 10 мкм и 1000 мкм в направлениях параллельно поверхности полупроводниковой пленки 3. В направлении, вертикальном к поверхности полупроводниковой пленки 3, конструкция 4 антенны имеет размеры между 0,5 мкм и 100 мкм, по возможности вплоть до 300 мкм. Зазор g имеет ширину Δ (от элемента 4a до элемента 4b) между 10 нм и 10 мкм.

Например, антенна 1 терагерцового частотного диапазона может быть размещена между генератором 5 терагерцовой частоты и терагерцовым частотным детектором 6, как схематически изображено на фиг.1. Следует отметить, что генератор 5 терагерцовой частоты и терагерцовый частотный детектор 6 показаны на фиг.1 только схематически. Генератор 5 терагерцовой частоты формирует поверхностные плазмоны в терагерцовом частотном диапазоне на структурированной полупроводниковой пленке 3. Детектор 6 терагерцового частотного диапазона приспособлен для обнаружения поверхностных плазмонов терагерцовой частоты. Терагерцовый тракт, образованный генератором 5 терагерцового частотного диапазона и детектором 6 терагерцового частотного диапазона, может применять, например, фемтосекундный лазер и нелинейные кристаллы или встраиваться в компактную, полностью электронную версию.

Обнаружено, что конструкции 4 антенны, которые описаны выше, допускают локальное усиление электрического поля рядом с конструкцией антенны. Кроме того, с помощью таких конструкций 4 антенны можно сконцентрировать поле в зазоре между элементами 4a и 4b и добиться огромных усилений поля, примерно в 10³ раз превышающих напряженность поля падающего излучения. Эти результаты обусловлены формированием плазмонных резонансов в терагерцовом частотном диапазоне. Концентрация поля и усиление поля вызывают усиление взаимодействия электромагнитного терагерцового излучения с материалом, помещенным в область антенны. Этот эффект может применяться для достижения повышенной чувствительности в применениях по распознаванию химических соединений (например, антенна терагерцового частотного диапазона используется в применениях по распознаванию). Достигнутый плазмонный резонанс антенн характеризуется спектральным резонансом на эффективной площади рассеяния. Таким образом, в соответствии с вариантами осуществления предоставляются антенны терагерцового частотного диапазона, изготовленные из полупроводникового материала, которые поддерживают плазмонные резонансы в терагерцовом частотном диапазоне. В отношении применений распознавания работа в терагерцовом частотном диапазоне очень выгодна вследствие присущей избирательности датчиков из-за конкретных спектральных параметров молекул в терагерцовом частотном диапазоне.

Описанные антенны терагерцового частотного диапазона представляют отличительные резонансные особенности в спектре дальней зоны. Сечение экстинкции у антенн терагерцового частотного диапазона представляет усиление близи резонансной частоты поверхностных плазмонов. Это можно обнаружить, например, в эксперименте по прохождению. Изменения в форме поперечного сечения экстинкции образуются при взаимодействии с окружающей средой. Например, наличие газа, имеющего линии сильного поглощения в интересующей области, можно обнаружить с помощью описанных антенн терагерцового частотного диапазона.

Описанное огромное усиление электромагнитного поля, расположенного около зазора, обладает применениями, где необходимо сильное поле терагерцовой частоты. Например, нелинейные эффекты будут усилены в результате более сильного взаимодействия между электромагнитным полем и веществом, присутствующим в той области. Таким образом, в отношении применений распознавания получится увеличенная чувствительность датчиков.

Примеры для достигнутого усиления электрического поля в области зазора g таких антенн терагерцового частотного диапазона будут приведены со ссылкой на фиг.2а и 2b.

Фиг.3а изображает распределение напряженности в ближней зоне у электрического поля на частоте 1,62 ТГц на логарифмической шкале для антенны InSb, имеющей прямоугольную форму. Горизонтальная ось соответствует первой оси параллельно поверхности полупроводниковой пленки 3, а вертикальная ось соответствует высоте антенны, перпендикулярной границе раздела с диэлектриком. Показанные результаты получаются из двумерных вычислений с использованием анализатора электромагнитных полей. Продемонстрировано, что двумерные вычисления поперечных сечений антенн должным образом описывают трехмерные структуры (O. L. Muskens, J. Gomez-Rivas, V. Giannini и J. A. Sanchez-Gil, "Optical scattering resonances of single and coupled dimer plasmonic nanoantennas" Opt. Expr., том 15, стр. 17736-17746, декабрь 2007 г.). Серая шкала соответствует напряженности электрического поля, нормализованной по напряженности поля падающего излучения. Элементы 4a и 4b и зазор g можно ясно увидеть на иллюстрации. Как видно из фиг.3а, возникает огромное усиление электрического поля в области зазора g.

Фиг.3b показывает соответствующую иллюстрацию для треугольной формы ("бабочка") элементов 4a и 4b на частоте 2 ТГц. Видно, что огромное усиление электрического поля возникает в области зазора g.

Таким образом, с помощью описанных антенн терагерцового частотного диапазона возбуждение плазмонного резонанса вызывает в ближней зоне сильное электрическое поле с коэффициентом усиления в несколько порядков величины в зазоре конструкции 4 антенны. Это усиление является признаком увеличенного взаимодействия конструкции 4 антенны с входящим электрическим полем.

Дополнительная особенность представленной антенны терагерцового частотного диапазона будет описываться ниже. Благодаря антенне 1 терагерцового частотного диапазона, образованной из полупроводникового материала, особенности антенны терагерцового частотного диапазона можно легко изменить множеством способов.

Обнаружено, что плазмонные резонансы сильно зависят от формы, размера и диэлектрической постоянной материала, используемого для создания антенны, а также от ее диэлектрического окружения. В частности, усиления поля и величина сечений экстинкции очень зависят от геометрии антенны. Явление резонанса зависит от нескольких геометрических параметров, например длины и ширины конструкции антенны, толщины конструкции антенны и ширины зазора. С помощью известных методик полупроводниковой обработки форму элементов 4a и 4b конструкции 4 антенны, размер элементов 4a и 4b и ширину зазора g можно легко задавать на этапе обработки.

Ссылаясь на фиг.4, будет показано, как достигнутое усиление электрического поля в области зазора g зависит от размеров конструкции 4 антенны. Фиг.4 изображает достигнутое усиление поля в зазоре |E|² на серой шкале для прямоугольной конструкции 4 антенны (аналогично фиг.2а) в зависимости от длины L (по оси x) и ширины зазора Δ (по оси y) для частоты 1,5 ТГц. Как видно из фиг.4, изменение параметров L и Δ вызывает сильное изменение усиления поля в зазоре g конструкции 4 антенны. В частности, большие усиления электрического поля в зазоре g достигаются для 30 мкм<L<50 мкм и Δ<1,5 мкм. Следует отметить, что изменение ширины зазора D с 3 мкм до менее 1 мкм приводит к изменению усиления электрического поля в зазоре g на один порядок величины. Обнаружено, что в качестве общего правила увеличенное усиление электрического поля в зазоре g достигается, когда уменьшается ширина Δ зазора g. Кроме того, большие усиления электрического поля в области зазора могут достигаться при ширинах зазора порядка 100 нм или меньше.

Обнаружено, что уменьшение ширины зазора g увеличивает напряженность поля, приводя к большей чувствительности. Аналогичным образом один или несколько острых углов в конструкции 4 антенны также усиливают напряженность поля и, соответственно, чувствительность (ср. с фиг.3b).

Применяя методики полупроводниковой обработки, можно предоставить антенну терагерцового частотного диапазона, ширина зазора которой может меняться во время работы. В этом случае антенна терагерцового частотного диапазона содержит зазор g с регулируемой шириной Δ. Например, это может достигаться с использованием пьезоэлектрических материалов, которые допускают изменение ширины зазора путем приложения (статического) электрического поля. Например, пьезоэлектрический материал может использоваться в качестве подложки, либо промежуточный слой пьезоэлектрического материала 10 может предоставляться, например, между подложкой 2 и полупроводниковой пленкой 3. Последний случай схематически указан пунктирной линией на фиг.1. В этих случаях зазором g в конструкции 4 антенны можно управлять электрически.

Дополнительно, когда уменьшается ширина Δ зазора g, центральная длина волны поверхностного плазмонного резонанса становится сдвинутой. Таким образом, положение этой центральной длины волны можно настраивать путем изменения ширины зазора Δ.

В качестве альтернативы или дополнительно свойства антенны 1 терагерцового частотного диапазона можно изменять путем изменения концентрации носителей или подвижности носителей в полупроводниковой пленке 3 и/или в конструкции 4 антенны. Фиг.5 иллюстрирует зависимость усиления электрического поля в зазоре (по оси y) в зависимости от электронной концентрации (по оси x) для разных ширин Δ зазора g. Фиг.5 показывает эту зависимость для InSb в качестве полупроводникового материала и для частоты 1,5 ТГц. Видно, что характеристика антенны 1 терагерцового частотного диапазона сильно зависит от электронных свойств полупроводникового материала. Таким образом, фактически возникающим усилением электрического поля в зазоре g можно управлять путем изменения концентрации носителей. Кроме того, положение резонансной частоты у антенны 1 терагерцового частотного диапазона можно изменять путем изменения концентрации носителей. Это означает, что антенну 1 терагерцового частотного диапазона можно настраивать путем изменения концентрации носителей. Это приводит к возможности регулировать спектральное положение резонанса, и поэтому можно обнаружить наложение со спектроскопическими особенностями. В результате это приводит к повышенной чувствительности.

Изменение концентрации носителей можно осуществить, например, путем изменений в температуре (позволяющих медленную модуляцию/медленные изменения), путем оптического возбуждения (позволяющего быструю модуляцию/быстрые изменения), электрически посредством инжекции носителей (позволяющей быструю модуляцию/быстрые изменения) и т.п.

Более того, путем изменения концентрации носителей можно изменить эффективную площадь рассеяния у антенны 1 терагерцового частотного диапазона, как видно на фиг.6. Фиг.6 иллюстрирует нормализованную эффективную площадь рассеяния для антенны терагерцового частотного диапазона на основе InSb, содержащей конструкцию 4 антенны с прямоугольными элементами 4a и 4b. Фиг.6 показывает зависимость эффективной площади рассеяния (по оси y) от частоты (по оси x) для разных концентраций носителей (разные символы). Значения соответствуют конструкции антенны с шириной зазора Δ 1 мкм, длинами элементов 4a и 4b в 40 мкм и высотой конструкции антенны в 5 мкм.

Аналогичным образом, как описано по отношению к настройке антенны 1 терагерцового частотного диапазона путем изменения концентрации носителей, свойства антенны 1 терагерцового частотного диапазона можно регулировать путем изменения подвижности носителей в полупроводниковом материале.

В результате предоставляется антенна 1 терагерцового частотного диапазона, которая предлагает возможность активно изменять/настраивать резонанс, а следовательно, настраивать усиление и эффективную площадь рассеяния. Такая антенна 1 терагерцового частотного диапазона подходит для многих применений.

Например, возможность активного изменения резонанса может использоваться для настройки усиления электрического поля на конкретной частоте. Эта особенность может использоваться для нахождения отличий между сигналом на определенной терагерцовой частоте и фоновым шумом для улучшения чувствительности путем настройки резонанса в области конструкции 4 антенны с известной частотой модуляции и фиксации детектора на этом настроенном сигнале.

С другой стороны, возможность активного изменения резонанса может использоваться для изменения частоты, на которой происходит усиление поля, чтобы сканировать посредством спектроскопических особенностей. Эти особенности могут легко применяться в активных датчиках и модуляторах.

В соответствии с одной особенностью можно реализовать перестраиваемый терагерцовый передатчик, который сейчас будет описываться. Сначала антенна 1 терагерцового частотного диапазона проектируется для некоторого рабочего диапазона (используя возможности процесса производства, которые указаны выше). Типичная ширина линии резонанса в дальней зоне была бы около 1 ТГц. Центральная длина волны антенны может проектироваться путем изменения длины, ширины или толщины конструкции 4 антенны. Затем настройка после производства, "в действии", может выполняться путем изменения ширины зазора Δ, как объяснено выше. Это может выполняться, например, с использованием пьезоэлектрических материалов. Когда уменьшается ширина Δ зазора g, центральная длина волны поверхностного плазмонного резонанса сдвигается. Другими словами, при уходе от резонанса уменьшается величина усиления поля. Таким образом, разрешается динамическая работа антенны 1 терагерцового частотного диапазона. Дополнительно антенну 1 терагерцового частотного диапазона можно настраивать путем изменения концентрации носителей и/или подвижности носителей, как описано выше.

Таким образом, предоставляется новая электромагнитная антенна терагерцового частотного диапазона на основе полупроводниковых материалов, которая дает возможность активного управления как усилением поля (чувствительностью), так и положением резонанса для сканирования спектра и модуляции.

Когда антенна 1 терагерцового частотного диапазона используется для применений по распознаванию, объект, который нужно распознать, можно сосредоточить в зазоре g антенны, где электрическое поле значительно усиливается. Таким образом, область зазора g можно функционализировать в качестве чувствительного элемента.

Кроме применения для систем обнаружения, например устройств терагерцовой спектроскопии, которые извлекут выгоду из повышенной чувствительности, антенна 1 терагерцового частотного диапазона также может использоваться во многих других применениях, например в системах связи, системах формирования изображений, системах обработки сигналов, системах модуляции света и т.п. Антенна 1 терагерцового частотного диапазона может использоваться, например, в датчиках для химического (газового) обнаружения и/или биологического обнаружения, в контрольных приборах для контроля органических материалов, например полимеров и небольших молекул, для неразрушающего контроля органических или электронных материалов, в системах формирования изображений, в медицинских системах (например, для контроля биологических материалов), в модуляторах для устройств связи, в устройствах биомедицинской диагностики (например, для анализа дыхания) и т.п.

Локализация терагерцового излучения до объемов меньше длин волн, которая достигается с помощью предложенного малого зазора в конструкции 4 антенны, открывает путь к локальному контролю материала, реагирующего на электромагнитное излучение в терагерцовом частотном диапазоне. В результате становится доступной повышенная чувствительность и контроль на парциальных длинах волн вплоть до порядка 1 мкм.

Изобретение относится к антенне терагерцового частотного диапазона, в частности к перестраиваемой антенне терагерцового частотного диапазона на основе полупроводникового материала. Антенна содержит полупроводниковую пленку (3) на пьезоэлектрическом материале (10), имеющую поверхность, приспособленную для проявления поверхностных плазмонов в терагерцовом частотном диапазоне. Поверхность полупроводниковой пленки (3) структурируется с помощью конструкции антенны (4), выполненной с возможностью поддержки локализованных поверхностных плазмонных резонансов в терагерцовом частотном диапазоне. Изобретение позволяет повысить чувствительность и избирательность. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Антенна терагерцового частотного диапазона, содержащая
полупроводниковую пленку (3), имеющую поверхность, приспособленную для проявления поверхностных плазмонов в терагерцовом частотном диапазоне,
при этом поверхность полупроводниковой пленки (3) структурируется для образования конструкции антенны (4), выполненной с возможностью поддержки локализованных поверхностных плазменных резонансов в терагерцовом частотном диапазоне, при этом полупроводниковая пленка (3) предоставляется на пьезоэлектрическом материале (10).

2. Антенна терагерцового частотного диапазона по п.1, в которой конструкция антенны (4) содержит по меньшей мере два элемента (4а, 4b), структурированные в или на поверхности полупроводниковой пленки (3) и разнесенные друг от друга в направлении параллельно поверхности полупроводниковой пленки на зазор (g).

3. Антенна терагерцового частотного диапазона по п.2, в которой зазор (g) имеет ширину (Δ) в диапазоне между 10 нм и 10 мкм, предпочтительно между 50 нм и 200 нм.

4. Антенна терагерцового частотного диапазона по любому из предшествующих пунктов, в которой конструкция антенны (4) состоит из такого же материала, как и полупроводниковая пленка (3).

5. Антенна терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что функционализированная поверхность, приспособленная для присоединения заранее установленных молекул, предоставляется в области около конструкции антенны (4) и/или в области около зазора (g).

6. Антенна терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-3, в которой полупроводниковая пленка (3) имеет толщину в диапазоне между 0,5 мкм и 300 мкм, предпочтительно между 0,5 мкм и 100 мкм.

7. Антенна терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-3, в которой полупроводниковая пленка (3) размещается на подложке (2), которая прозрачна для электромагнитного излучения в терагерцовом частотном диапазоне.

8. Антенна терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-3, которая приспособлена для вставки между генератором терагерцовой частоты (5) и терагерцовым частотным детектором (6).

9. Антенна терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-3, в которой пьезоэлектрический материал (10) используется в качестве пьезоэлектрической подложки или предоставляется в качестве пьезоэлектрического промежуточного слоя (10) между полупроводниковой пленкой (3) и подложкой (2).

10. Антенна терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-3, в которой полупроводниковая пленка (3) содержит InSb или InAs в качестве основного вещества.

11. Антенна терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-3, в которой конструкция антенны (4) организована так, что электрическое поле поверхностных плазмонных резонансов локально усиливается в области конструкции антенны.

12. Электронная система, функционирующая в терагерцовом частотном диапазоне, содержащая антенну терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-11.

13. Электронная система по п.12, где система является одной из системы обнаружения, системы связи, системы формирования изображений, системы обработки сигналов и системы модуляции света.

14. Система для нахождения отличий между терагерцовым сигналом и фоновым шумом, содержащая
модулятор, содержащий антенну терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-11, причем модулятор приспособлен для настройки и отстройки резонанса поверхностных плазмонов в области антенны терагерцового частотного диапазона путем изменения ширины зазора с заранее установленной частотой модуляции, и
детектор, управляемый по заранее установленной частоте модуляции.

15. Способ для настройки отклика антенны терагерцового частотного диапазона по любому из пп.1-11, где способ содержит этап, на котором:
настраивают отклик путем изменения геометрии конструкции антенны (4) или путем изменения характеристик материала полупроводниковой пленки (3).