本发明专利技术提出了一种基于碳纳米管的太赫兹振荡方法，在半导体碳纳米管两端施加直流偏压，使该半导体碳纳米管中的电子漂移速度位于负微分漂移速度区域，从而在该半导体碳纳米管中产生随时间周期性变化的振荡电流。此外，本发明专利技术还提出了一种可实现上述方法的太赫兹振荡器及其制作方法。该碳纳米管太赫兹振荡器由芯片和与之连接的外围电路组成，作为一种新型的固态THz振荡器，具有结构简单、易于集成以及可以室温工作等优点，有望在未来的空间无线通信系统中得到广泛应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种太赫兹(THz)振荡器的工作方法、器件结构及其制作方法，特别涉及一种利用碳纳米管产生THz波的方法以及实现该方法的器件结构及其制作方法。本专利技术属于半导体光电器件
技术介绍
碳纳米管是由碳原子组成的一种结构简单的准一维材料，从几何上看，它可以看作是由单层石墨卷曲而成的。自从碳纳米管被发现以来，基于半导体碳纳米管的电子学和光子学特性引起了人们的研究兴趣。这主要是由于半导体型的碳纳米管具有绝缘型和金属型的碳纳米管所不具备的独特电子输运性质。研究发现，半导体碳纳米管的电子输运特性对缺 陷、 杂质以及结构形变等因素具有强烈的依赖作用。目前，理论和实验上出现了许多关于半导体碳纳米管电子学器件及其应用的研究。这些器件包括场效应晶体管^ 电光器件以及利用金属-半导体转换效应工作的电-机械传感器 等。此外，碳纳米管在随机存储和平板显示等方面的应用技术也初步取得了突破。因此，半导体碳纳米管在新型电子学器件和光子学器件等应用领域具有巨大的应用潜力和经济效■、Λfrff. ο最近，直流电场作用下半导体碳纳米管的电子稳态输运特性得到了人们的广泛关注。理论上，蒙特-卡洛模拟方法研究发现，电子漂移速度ud与外加电场E的关系中，电子漂移速度υ d随着电场E的增加不断增大，但是，当电场达到一个临界值E。时，电子漂移速度达到一个极大值％，此后随着电场的增大，电子漂移速度将变小，此时的电子漂移速度称为负微分漂移速度(Negativedifferential drift velocity)。这就是通常所说的负微分漂移速度特性。半导体碳纳米管中电子的漂移速度峰值可以达到5X 105m/ s。此外，理论研究还发现，半导体碳纳米管中电子的漂移速度在纳米管的不同区域也发生变化，表现出依赖于偏压的速度3随空间振荡特性。这一振荡现象是由于光学声子发射导致的高散射率引起的 0利用电子漂移速度随碳纳米管的长度发生振荡从而引起电子浓度的振荡这一特性，Akturk等提出了一种实现THz振荡的方法。然而，本专利技术将提出另一种实现THz振荡的方法，利用碳纳米管的负微分速度特性产生THz电流振荡，这种产生THz振荡的原理与 Akturk等提出的方法具有本质不同。THz技术在未来的大容量数据传输和空间无线通信方面具有重要的应用潜力。目前THz技术发展缓慢的主要原因是由于缺乏有效的THz辐射源和探测器。如何实现小型并易于集成的固态THz振荡源是当前研究的热点。本专利技术提出了一种利用半导体碳纳米管的负微分漂移速度特性实现电流振荡的器件，其振荡频率在THz频段，本专利技术还将给出实验制作碳纳米管THz振荡器的关键技术和实现方法。目前，利用半导体碳纳米管的负微分漂移速度特性产生THz电流振荡的方法尚未见诸报道，同时，实验上也未有相关器件的制作方法报道。因此，本专利技术在原理和器件制作方面都具有创新性。碳纳米管THz振荡器将在未来的大容量数据传输和空间通信方面产生重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题在于提供一种基于碳纳米管的太赫兹振荡方法和实现该方法的太赫兹振荡器及其制作方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案—种基于碳纳米管的太赫兹振荡方法，其特征在于在半导体碳纳米管两端施加直流偏压，使该半导体碳纳米管中的电子漂移速度位于负微分漂移速度区域，从而在该半导体碳纳米管中产生随时间周期性变化的振荡电流。进一步地，可通过模拟所述半导体碳纳米管中电子在直流电场下的输运特性，计算出所述半导体碳纳米管的电子漂移速度与外加电场的关系，从而找到所述电子漂移速度位于负微分漂移速度区域时对应于外加电场的直流偏压范围；然后在所述半导体碳纳米管两端施加位于该范围的直流偏压。一种基于上述方法的碳纳米管太赫兹振荡器，由芯片和与之连接的外围电路组成；所述芯片包括半导体碳纳米管和位于所述半导体碳纳米管两端的电极，所述半导体碳纳米管与其两端的电极形成欧姆接触，所述芯片通过所述电极与外围电路连接；所述外围电路包括两根同轴电缆线、直流电压源以及高频信号输出模块；所述两根同轴电缆线通过高频探针分别与所述电极接触；所述直流电压源与电感串联，接在所述两根同轴电缆线之间，用于向所述半导体碳纳米管两端施加直流偏压；所述高频信号输出模块与电容串联，接在所述两根同轴电缆线之间，用于输出高频信号。进一步地，所述芯片还包括衬底和位于衬底之上的绝缘层，所述半导体碳纳米管和其两端的电极位于所述绝缘层之上。进一步地，所述半导体碳纳米管两端的电极互相平行且与所述半导体碳纳米管垂直。进一步地，所述电极采用金或钼金制成。进一步地，所述电极上制备有引线，所述高频探针通过弓丨线与所述电极接触。进一步地，所述高频信号输出模块为频谱分析仪。一种上述碳纳米管太赫兹振荡器的制作方法，其特征在于所述碳纳米管太赫兹振荡器由芯片和与之连接的外围电路组成，所述芯片的制作方法包括如下步骤(1)在Si衬底上淀积SiO2绝缘层，并处理其表面，使之平整光滑；(2)选取一根半导体碳纳米管，利用原子力显微镜将其置于SiO2绝缘层上；(3)用聚焦离子束方法在所述半导体碳纳米管两端制备两条电极，使两个电极互相平行，且都垂直于所述半导体碳纳米管，并与所述半导体碳纳米管形成欧姆接触； (4)在所述两个电极上制作引线，并将所得结构进行封装，使引线伸出。进一步地，所述半导体碳纳米管采用单壁碳纳米管。本专利技术提出的THz振荡方法，是利用半导体碳纳米管的负微分漂移速度特性实现电流振荡的。半导体碳纳米管在低温(如T = 10K)和室温下都表现出负微分漂移速度特性，并且在低温下这种特性表现的更为显著(V. Perebeinos etal.，Electron-phonon interaction and transport in semiconducting carbonnanotubes, Phys. Rev. Lett. 94, 086802 (2005) ) 0本专利技术通过在半导体碳纳米管两端施加直流偏压，使该碳纳米管在外加直流电场的作用下表现出负微分漂移速度特性，其中，半导体碳纳米管的电子漂移速度位于负微分漂移速度区域。由于半导体碳纳米管中电子浓度的掺杂不是非常均勻，当直流偏压偏置在负微分漂移速度区域时，掺杂的微小变化迅速放大，也就是电子浓度的变化迅速增长，并且随时间和空间变化，即形成了随时间周期性变化的电场畴，电子浓度与电场强度之间满足泊松方程，可以互相计算得到，所以可以将电场畴理解成电子浓度的变化。也就是说，当直流电压偏置在负微分漂移速度区域时，半导体碳纳米管中电子浓度的微小变化就能够在器件中激发电场强度的波动，这种波动能够迅速在器件中传播，并且能够一直持续下去。这样，电子的时空周期性运动引起了电流振荡，并且这种随时间周期性变化的电流振荡频率在THz波段。基于上述原理，本专利技术设计的碳纳米管THz振荡器由芯片和外围电路组成，外加直流偏压和所产生的高频信号通过电容和电感形成的电路分开，直流偏压通过外围电路中的电压源提供，而被分离出的高频交流信号通过高频信号输出模块输出，并可以通过频谱分析仪记录。该碳纳米管THz振荡器作为一种新型的固态THz振荡器，具有结构简单、易于集成以及可以室温工作等优点，将在未来的大容量数据传输和高速通信系统中获得应用本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于碳纳米管的太赫兹振荡方法，其特征在于：在半导体碳纳米管两端施加直流偏压，使该半导体碳纳米管中的电子漂移速度位于负微分漂移速度区域，从而在该半导体碳纳米管中产生随时间周期性变化的振荡电流。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王长，曹俊诚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31
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