LAM | 深纳米级太赫兹光谱技术

撰稿 | 张亚（日本东京农工大学 副教授）、杜少卿（日本东京大学 特任助教）

注：本文由课题组（论文作者）投稿

太赫兹波是一种位于微波和红外线之间的兼具电磁波和光学特性的特殊电磁波。太赫兹波能够深入地穿透到材料的内部测量材料的特性，因此在表征材料的电子性质上有着广泛的研究和应用。

太赫兹波不仅穿透性强，而且光子能量很小，对人体和生物样品几乎没有任何伤害，因而在生物样品的成像和安防领域的应用上比传统的X射线更具优势。

此外，太赫兹光子的能量与各种量子结构和纳米材料的量子化能量范围一致。这种特性可以用于表征甚至控制等各种重要的量子纳米材料的量子状态，比如量子点、碳纳米管、纳米线的电子状态和单分子的振动状态。因此，太赫兹光谱技术在纳米材料和量子技术领域的应用有极大的潜力。

近年来，量子纳米器件的日新月异的发展来带来了对太赫兹技术的新需求，那就是在使用太赫兹技术在纳米尺度上研究单个纳米器件的特性。比如要将纳米器件用于量子通信与计算，必须了解单个量子纳米结构的电子结构和动力学性质。

然而，实现纳米领域的太赫兹光谱测量非常困难。它需要大幅突破太赫兹波的衍射极限将太赫兹波聚焦到纳米领域，并测量出单个纳米结构的微小的太赫兹吸收。太赫兹波的波长很长，有几十到几百微米，比一般而言的纳米结构大几千到几万倍。所以传统的太赫兹光谱只能测量毫米级、厘米级的大样品。对于纳米结构，只能通过测量数以亿计样品的总吸收来进行分析，而无法对单个纳米器件进行表征。

图1：毫米级，微米级和纳米级的太赫兹光谱技术（图源：Light: Advanced Manufacturing）

为了克服太赫兹衍射极限的影响，一些科学家将太赫兹光源、太赫兹的波导和太赫兹探测器集成在小小的芯片上。与传统的自由空间测量系统相比，片上太赫兹光谱系统用波导替代自由空间传递太赫兹信号，有效地将样品尺寸减小到亚波长范围，即可以测量数十微米级别的样品。但是，片上的太赫兹系统仍然远远不足以测量纳米尺度的样品。

最近，由日本东京农工大学的张亚副教授，日本东京大学生产技术研究所的杜少卿博士、平川一彦教授组成的研究团队在 Light: Advanced Manufacturing 上发表综述文章 Deep-nanometer-scale terahertz spectroscopy using a transistor geometry with metal nanogap electrodes。

该综述系统总结和介绍了深纳米太赫兹光谱技术的新进展，并评估了这项新技术的未来应用潜力和进一步发展需要克服的挑战。

目前的深纳米领域太赫兹光谱技术主要分为三种：

1. 散射式太赫兹扫描近场探测法(THz s-SNOM)

2. 太赫兹近场扫描隧道显微镜法(THz-STM)

3. 太赫兹单电子隧道光谱法（THz-SETS）

这三种技术将太赫兹电磁波通过扫描探针或纳米电极聚焦到纳米领域，并通过探测散射的太赫兹波或太赫兹激发的光电流实现单个纳米结构的太赫兹响应。

这篇综述论文重点介绍了由该团队开发的THz-SETS 技术。与THz s-SNOM 和THz-STM需要昂贵复杂的扫描探针设备不同，THz-SETS使用简单的纳米电极来测量太赫兹光谱，具有超高的检测灵敏度，可实现深纳米级的太赫兹探测。

太赫兹单电子隧道光谱法（THz-SETS）

如前所述，纳米级太赫兹技术需要克服两大难题：

a. 如何超越衍射极限将太赫兹光聚焦于一个纳米结构上?

b. 该如何高灵敏地探测到极度微弱的吸收信号?

对于第一个难题，研究团队运用太赫兹天线耦合纳米间隙电极的方法，将波长约100微米的太赫兹波聚焦在偶极子天线正中间的纳米结构上，大大超越了衍射极限。此外，将偶极子天线的两翼作为电极使用，通过测量隧穿过样品的太赫兹光电流实现超灵敏探测，克服了第二个难题。

图2：太赫兹单电子隧道光谱法（THz-SETS）（图源：Light: Advanced Manufacturing）

与其他两种纳米级太赫兹光谱技术相比，THz-SETS多了一个背栅电极用于调控样品的费米能级（电化学势能）使其更加靠近金属电极上的费米能级。通过这种调制，电子隧穿所需克服的能隙量级大大降低，在弱光源照射下同样可以实现太赫兹光谱检测。此外，背栅电极的调控功能也使得该技术可以在自由地调制纳米材料中的电子数，研究不同电子数下的纳米材料特性。

THz-SETS用于表征低维量子材料的具体步骤

如图3所示，THz-SETS的测量系统由太赫兹干涉光路与单电子晶体管结构两部分组成。通过硅透镜将两束时间相干的太赫兹脉冲聚焦到单电子晶体管。而后通过单电子晶体管两侧的偶极子天线形成太赫兹波的二次聚焦，激发纳米间隙中纳米材料的电子跃迁或分子的振动。

图3：THz-SETS在量子点、纳米线、碳纳米管、和单分子结上应用时样品的SEM图（图源：Light: Advanced Manufacturing）

对于大小在几十到几百纳米范围内的样品，研究团队使用了标准电子束光刻法制备纳米电极，并直接耦合到单个的被测纳米结构上。对于单分子尺度的样品，团队使用了电迁移断裂法产生纳米间隙，该方法可打破目前常规半导体制备的尺寸极限，制备出1纳米至亚纳米尺度的间隙电极，再通过电子输运测试确认捕获分子的情况。

基于THz-SETS的量子动力学研究

这一部分中，该论文展示了使用THz-SETS技术测量两种典型的纳米结构的太赫兹光谱的例子：分别是数十纳米大小的InAs 量子点和~1nm大小的富勒烯分子。这些例子表明THz-SETS 可以作为探索太赫兹纳米科学的有效的工具。

图4展示了使用THz-SETS得到的单个的InAs量子点的太赫兹光电流谱。该光电流来自于量子点内的量子化能级之间的电子跃迁。同时，通过使用背栅电极调制量子点内的费米能级，可以精细地分辨出量子点形状的不对称所带来的能级分裂。这些信息对于使用量子点开发太赫兹探测器和单光子源至关重要。

图4 基于THz-SETS技术在量子点中观察到的内能级间转换（图源：Light: Advanced Manufacturing）

如图5所示，研究团队在单个富勒烯分子中观察到2meV（约0.5THz）的太赫兹响应，该信号来源于富勒烯球与金属电极之间的“质心振荡”。当富勒烯内嵌入一个金属原子后，光谱信号的位置和谱宽都发生了较大的变化，这反映了内嵌单个原子的混沌运动。这些结果表明THz-SETS技术所具备的超高灵敏度，足以感知单个分子乃至单个原子的响应。

图5：基于THz-SETS技术观察到的单分子运动和单原子运动（图源：Light: Advanced Manufacturing）

未来展望

上述的测量结果显示出，深纳米太赫兹光谱技术具有纳米和亚纳米级别的超高空间检测能力以及单电子吸收级别的超高灵敏度。这种能力对于未来表征量子纳米器件以及复杂的有机分子和生物分子极具潜力。

然而，三种深纳米太赫兹光谱技术都还各有重要的问题需要解决。

基于扫描探针的THz s-SNOM 和THz-STM可以方便地对纳米结构的成像，但在极小尺度(~1nm)上，它们都缺乏一个栅电极来调制样品的电子态；

基于晶体管结构的THz-STS可以容易地调制样品的电子态，但它缺乏对样品进行成像的能力。

因此，有必要将这两类测量方法结合起来实现更加通用的深纳米太赫兹光谱技术。

在未来，深纳米太赫兹光谱技术预期可以应用在纳米器件的量子态控制上。它可以将量子信息在电子和太赫兹光子之间传递，成为量子信息处理的新选项。此外，非线性太赫兹光学也将是一个重要的应用方向。深纳米太赫兹光谱技术可以把太赫兹波压缩到波长的几万分之一的程度，将空间的太赫兹场强增强几百万倍。这种技术与强太赫兹脉冲技术相结合将带来前所未有的太赫兹强电场，在表征和改变材料的结构上发挥重大作用。

| 论文信息 |

Zhang et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:31

https://doi.org/10.37188/lam.2021.031

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编辑 | 赵阳