我院张丙元教授团队致力于面向第六代通信技术的太赫兹光子学器件的研究，并于近期取得了一系列研究进展，相关研究成果分别以“Large Area Flexible Thin Layer Terahertz Detector”（“大面积柔性薄层太赫兹探测器”） 、“High Sensitivity Multiple Microcavity Enhanced 3-D Printed Micro-Stud Array Ultrafast Response Detector at 6G Frequency” （“基于面投影立体三维打印技术的高灵敏度多微腔增强型螺旋阵列超快响应第六代通信技术探测器”）、“MoTe2 Covered Polarization-Sensitive THz Modulator Toward 6G Technology” （“面向第六代通信技术的二碲化钼薄膜偏振敏感太赫兹调制器”） 、“A High-Performance Thin-Film Sensor in 6G for Remote Sensing of the Sea Surface” （“结合第六代通信技术的海面遥感的高性能薄膜传感器”）、“Large area crystalline Weyl semimetal with nano Au film based micro-fold line array for THz detector” （“基于微折线阵列的大面积外尔半金属结晶薄膜与纳米级金膜复合太赫兹探测器”）和“Ultra-sensitive terahertz introduced harmonic emission towards terahertz detection” （“用于第六代通信技术的超灵敏探测的太赫兹诱导谐波产生技术”）为题，于近日分别发表于《Advanced Electronic Materials》（《先进电子材料》，影响因子6.2，为中科院二区期刊）、《IEEE Sensors Journal》（《国际电子工程师学会传感器期刊》，影响因子4.3，为中科院二区Top期刊）、《IEEE Transactions on Electron Devices》（《国际电子工程师学会电子器件期刊》，影响因子3.1，为中科院二区期刊）、《Remote Sensing》（《遥感》，影响因子5，为中科院二区Top期刊）、《Science China-Technological Sciences》（《中国科学-技术科学》，影响因子4.6，为中国卓越期刊、中科院二区期刊）和《Infrared Physics & Technology》（《红外物理技术》，影响因子3.3，为中科院二区期刊）。系列论文第一作者均为宋琦副教授，通信作者为张丙元教授，叼嘿视频为第一署名单位。
图1器件电子显微镜图及太赫兹探测实验系统示意图
目前高性能室温下的太赫兹波段探测器主要基于石墨烯等二维材料，因为其带隙接近于零，使它们能够激发太赫兹波段的载流子。纳米材料的广泛应用提高了器件的光学响应性。然而，有效的检测区域为纳米尺度，可能限制了其应用。柔性第六代通信技术探测器将满足第六代通信与物联网技术的集成，更好地促进人机交互，进一步推广第六代通信技术，因此柔性大面积高响应太赫兹探测器的设计在光电器件的发展中具有良好的应用前景。然而针对用于第六代通信波段的探测器，结合好大面积、柔性、非聚焦、室温下高探测性能等功能的探测技术依然是亟需解决的重要问题。团队设计了大面积柔性薄层太赫兹探测器，结合了在低光子能量电磁波检测中优异的光电性能和亚波长结构探测器中的局域化的表面等离基元效应的优点。由于有效面积大，圆盘电极器件在室温下的性能最好。此外，弯曲实验也表明了该器件在柔性第六代通信探测器的应用中具有极大的优势。
图2器件针对0.1太赫兹时的电场表面分布及电流表面分布图
太赫兹波通信具有广频资源、高数据传输能力、高干扰/拦截抗扰能力，是未来高速信息社会发展的关键。第六代通信技术主要包括通信、传感、物联网、无损检测和成像等主要领域。这些应用对太赫兹波检测技术的灵敏度和面积提出了更高的要求。如何在室温下实现对低功率密度太赫兹信号的高灵敏度响应一直是该领域的前沿研究热点之一，具有重要的经济和社会意义。此外，器件加工过程的成本及可以大规模生产等问题也迫切需要解决。团队利用新型微立体光刻技术实现了微结构阵列的低成本高精度制备，并利用磁控溅射方法获得了外尔半金属薄膜，最终获得具有高灵敏度、低等效噪声功率和有效探测面积大的太赫兹波探测器。该制备方法成功解决了大面积的太赫兹探测器中探测性能不高问题，此外提出了一种可用于第六代通信波段的大规模低成本三维微腔结构阵列制备的技术方案。利用该方法制成的太赫兹波探测器，在室温下实现了探测灵敏度为7.9A·W-1，等效噪声功率0.9pW·Hz-1/2 。在毫米级大面积探测器中效果较为理想。
图3器件示意图及器件的材料性质表征图
太赫兹波段有源调制设备作为编码器在第六代通信技术中的应用潜力巨大。然而，目前的调制器往往损耗较大，导致微弱信号丢失和信号失真，从而限制了其在高速通信中的应用。因此，开发具有高效率的反射式有源太赫兹调制器对第六代通信技术的发展至关重要。研究团队提出的外尔半金属二碲化钼纳米薄膜覆盖平面叉指电极基底高效电子控制太赫兹反射调制器，它可以在宽带范围内对强度和相位进行多功能调制，并表现出高度的极化灵敏度。具体来说，对于10μm叉指电极间距的器件，在宽带范围内实现了40%的调制深度，在太赫兹偏振垂直于电极方向上实现了129°的相位调制。此外，通过旋转器件来改变太赫兹偏振方向相对于电极方向的取向，还可以开启或关闭器件的调制效果。这种低损耗、对极化敏感的反射式太赫兹调制器在增强第六代通信技术方面具有巨大潜力。
图4太赫兹测试实验系统及结晶薄膜的太赫兹波段性质
利用遥感技术评估海洋水质的第六代通信技术是一项非常重要的研究内容。然而，在高性能传感器的可用性方面存在着明显的差距，这些传感器具有厘米级的大面积、高响应性、低等效噪声功率、高稳定性，并有可能在潮湿的环境中进行大规模生产。为了解决这个问题，团队开发了一种为第六代通信技术设计的海洋遥感传感器。该传感器采用了高稳定性的碲薄膜，对其结晶方法进行了全面研究，重点比较了在不同退火温度下对太赫兹波的感应检测。在100°C退火60分钟时，获得了最佳的结晶和检测效果，灵敏度高达19.8A/W，NEP为2.8pWHz-1/2，探测器的有效检测面积可达厘米级，并且在30°C和70-80%湿度的潮湿环境中无需封装即可维持2个月以上。此外，薄膜的响应时间为78ms。考虑到其稳定性、探测性能、快速响应时间、广阔的有效面积和直接批量生产等显著优点，结晶碲大面积薄膜成为推动第六代通信海洋遥感技术发展的理想传感器。
图5飞秒激光直写加工示意图及器件示意图
为满足第六代通信物联网边缘智能技术对超灵敏探测器的需求，团队采用磁控溅射技术制备了大面积的外尔半金属层，通过控制退火条件获得了高质量的外尔半金属活性层，然后制备了薄金层作为微腔反射层，采用飞秒激光直写技术加工了二维微结构图案，并同时引入了电磁感应阱和局域化的表面等离基元效应。在优选处理的36nm金膜和150°C、退火时间为一小时的二碲化钨薄膜条件下，检测灵敏度为34A/W，折线角度为90°，固定线宽为20μm，线间距为70μm。等效噪声功率为1.8pW/Hz1/2，响应时间为80ms。所提出的方案为制造具有工业化生产潜力的高性能太赫兹探测器提供了可能，并为第六代通信技术的发展提供了有效的技术解决方案。
图6太赫兹诱导谐波实验图及示意图
第六代通信技术因其更高的频谱和能效而备受研究人员的关注。然而，太赫兹波在空气中的强烈衰减是一大挑战，因此需要开发超灵敏探测器。近年来，谐波信号检测方法的发展逐步取得进展，为低检测阈值、高灵敏度的太赫兹波检测提供了新的解决方案。在我们的研究中，我们提出了一种高灵敏度的检测方法，该方法利用飞秒激光和入射到通过机械剥离获得的少层硒化锡纳米片上的宽带太赫兹波并利用共焦显微镜可以观察到明显的谐波，谐波信号的强度根据激光和太赫兹波之间的偏振角度变化而变化。这种探测灵敏度可能比现有探测器高出十倍左右。这种方法无需高压环境或强烈的太赫兹场，在微弱信号检测应用方面具有巨大潜力，对第六代通信技术的发展具有重要意义。
系列论文第一作者均为宋琦副教授，通信作者为张丙元教授，团队高飞龙博士和王祎然博士参与了部分工作，第一单位均为叼嘿视频。系列研究得到了国家自然基金、教育部重点实验室开放基金资助，部分得到了叼嘿视频博士启动基金的资助。
论文全文链接：
https://doi.org/10.1002/aelm.202300149
https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3278690
https://doi.org/10.3390/rs15143682
https://doi.org/10.1109/TED.2023.3297080
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11431-023-2478-0
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350449523003262
（审稿：刘才龙）