基于CMOS和量子点的室温太赫兹相机

太赫兹(THz)辐射是频率范围为0.1THz至10THz、波长介于30μm至3mm之间的电磁辐射。可靠地检测这种辐射可能在安全、产品检测和质量控制方面有许多有价值的应用。

例如，太赫兹探测器可以让执法人员更可靠地发现人体或行李中的潜在武器。它还可用于在不破坏自然环境的情况下监测自然环境，或评估食品、化妆品和其他产品的质量。

麻省理工学院(MIT)、明尼苏达大学以及美国和韩国其他研究所的研究人员最近开发了一种新型相机，可以在室温下可靠地检测太赫兹辐射，同时还可以表征其所谓的偏振态。这款相机在NatureNanotechnology上发表的一篇论文中介绍，它基于广泛使用的互补金属氧化物半导体(CMOS)，并使用量子点进行了增强(即，具有有利光电特性的纳米级半导体颗粒)。

“我们之前对量子点(QD)的电致发光的测量表明，它们之间的电荷转移可以由太赫兹频率的光脉冲引起，”三位研究人员KeithA.Nelson、Sang-HyunOh和Jiaojian(Tristan)Shi谁进行了这项研究，通过电子邮件告诉Phys.org。“光的电场将一个电子从一个QD上拉下来，并将其转移到相邻的QD。太赫兹脉冲结束后(通常只是电场的一个周期)，电子与其父QD重新结合。”

在他们之前的工作中，Nelson和他的同事发现，电子返回到其原始托管量子点通常伴随着可见光的发射。在他们的新研究中，他们着手创建一种设备，该设备将利用他们观察到的过程和由此产生的光发射来检测太赫兹脉冲。

“我们的目标是开发一种利用这种机制来检测太赫兹脉冲的设备，方法是将它们上转换为可见光发射，”Nelson、Oh和Shi说。“我们还希望实现这种新颖的检测机制所独有的其他新颖功能。”

研究人员创建的基于CMOS的太赫兹相机分两个阶段组装。首先，Nelson、Oh、Shi和他们的同事制造了纳米级场增强结构(即具有亚微米绝缘间隙的图案化导电层，其中入射太赫兹场得到强烈增强)。这些结构是使用电子束光刻技术创建的，这是一种在子状态上书写或绘制图案的常用方法。相机组装的第二阶段需要合成量子点并将它们沉积到场增强结构上。

“最终进入绝缘间隙的量子点受到增强的太赫兹场的影响。它们的电致发光产生可见光，可以用传统的CMOS元件检测到，”Nelson、Oh和Shi解释道。“它的实际制造很复杂，但它是基于两种现有技术，而且这些过程可以分成不同的部分。因此，流线型的大规模生产应该是可能的，而且成本低。”

在初步评估中，该研究团队研制的太赫兹探测相机取得了显著成果，在室温下探测到峰值场低至10kVcm-1的太赫兹脉冲，具有快速响应速度和高带宽。该设备价格实惠，可以放大到晶圆尺寸，用于大面积成像或其他大规模应用。

与过去设计的其他太赫兹辐射探测器相比，由Nelson、Oh和Shi发明的相机可以同时检测太赫兹光的强度及其偏振态。因此，在未来，它可以为太赫兹光的传感和表征开辟新的令人兴奋的可能性。

“我们现在计划进一步提高qTV性能，例如使用不同的QD或OLED(有机LED)材料、冷却和放大的可见探测器、甚至更窄的绝缘间隙等，”研究人员补充道。“我们进行了将qTV器件与直流电场集成的初步工作，其思路类似于雪崩探测器的开发，可以提高太赫兹灵敏度并降低阈值。我们计划进一步探索这个方向，以实现CW或准CW太赫兹传感。我们发现的上转换机制非常方便，甚至可以开发超小型太赫兹光谱仪，将直径变化的同轴电缆阵列与QD相结合。”