瑞士洛桑联邦理工学院开发出新型纳米器件，可生成大功率太赫兹波

背景

太赫兹（THz）波，是频率范围在100GHz到10THz之间，介于微波与红外线之间的电磁波。

 

太赫兹波具有穿透性强、安全性高、定向性好、带宽大、时间与空间分辨率高等技术优势，可以穿透纸张、衣服、木头和墙壁，也可以检测空气污染。

太赫兹波源可以彻底改变安全和医学成像系统，此外还可以携带海量的数量，进行更快速的无线通信。

 

太赫兹通信系统（图片来源：荷兰内梅亨大学）

太赫兹波是一种非电离的辐射，也就是说不会有害人体健康。这项技术已经在某些机场用于扫描乘客和检测危险物品和物质。

创新

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）开发的一项新技术将改变这一切。位于电力与宽带隙电子研究实验室（POWERlab）的团队，在 Elison Matioli 教授的领导下，打造了一款纳米器件（1纳米等于百万分之一毫米）。该器件可以在皮秒（一皮秒等于一万亿分之一秒）内生成极高功率的信号，从而生成大功率的太赫兹波。

 

（图片来源：EPFL）

这项技术可安装到芯片或者柔性材料上，未来甚至可安装到智能手机和其他手提式设备上。这项研究的第一作者是 POWERlab 的博士研究生 Mohammad Samizadeh Nikoo，相关论文发表在《自然（Nature）》杂志上。

技术

这款便宜的全电子小型纳米器件，通过一个微型太赫兹波源，立刻生成高强度的太赫兹波。其工作方式是在一皮秒内生成一个强大的“电火花”，这个“电火花”具有从10伏（或者更低）到100伏的电压尖峰。该设备能够几乎连续地生成这种“火花”，这意味着每秒可发出高达5千万个信号。当安装在天线上时，该系统可以产生并发射大功率太赫兹波。

该器件由两块紧密靠近的金属板组成，它们之间的距离低至20纳米。当施加电压时，电子涌向其中一块板，在那里形成纳米等离子体。一旦电压达到某个阈值，电子几乎立刻射向第二块板。用如此快速的切换实现的这种迅速移动，创造出了一个可以产生高频波的高强度脉冲。

传统电子器件的切换速度仅能达到每皮秒1伏，这对于生成大功率太赫兹波来说太慢。

这款新型纳米器件，速度快十倍，可生成既高能量又高频率的脉冲。Matioli 表示：“通常来说，让这两个变量都达到很高的值是不可能的。高频半导体器件的尺寸是纳米级的，它们只能承受住几伏的电压。与此同时，大功率器件，对于生成太赫兹波来说显得太大太慢。我们方案是用最新的纳米级制造技术重新访问老旧的等离子体场，从而提出一种可以突破这些限制的新器件。”

价值

Matioli 称新器件将所有的变量都推向了极限值：“你通常不会在同一个句子中听到‘高频率’、‘大功率’和‘纳米级’这些词汇。”

Samizadeh 表示：“从一方面说，这些纳米器件带来了极高水平的简单性和低成本，从另一方面说，也展示了卓越的性能。此外，它们可以与其他的电子器件例如晶体管集成到一起。就这些特性而言，纳米等离子体可以为超高速电子器件领域塑造一个不同的未来。”

这项技术除了生成太赫兹波以外还有更为广泛的应用。Matioli 补充道：“我们非常肯定会有更多的创新应用到来。”

参考资料

【1】Mohammad Samizadeh Nikoo, Armin Jafari, Nirmana Perera, Minghua Zhu, Giovanni Santoruvo, Elison Matioli. Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics. Nature, 2020; 579 (7800): 534 DOI: 10.1038/s41586-020-2118-y