填补太赫兹频段空白的超材料器件

来源:电子工程专辑发布时间:2023-09-131393浏览

人们一直在尝试使用更高端的电磁频谱并发挥其带宽潜力，而首当其冲的自然就是利用太赫兹频段开展大规模应用，比如用于尚处萌芽中的6G标准。业界一般认为，该频段的范围为0.1～10THz(3000～30μm)，介于毫米级射频和红外频率之间。

自由空间(无任何多径传播的空间)中，1THz信号的波长为300μm，周期为1ps。需要注意的是，太赫兹频段还有其他几个名称，如亚毫米、远红外线和近毫米波(这么多的叫法有时候的确会让人感到有些困惑)。

为太赫兹频段开发元器件极具挑战性，因为这类器件将工作在一个特殊的频段中，该频段位于通常的射频能量域(“电子”)的最高端之上方，到极为不同的光能域(“光子”)之下方，具体如图1所示。虽然所有频谱在理论上都受麦克斯韦方程的约束，但现实应用和面临的实际问题使得这段频谱与其它频谱有很大不同。

图1：电磁波谱是连续的。不过，介于“射频”和光学之间的这一频段，即业界通常所说的太赫兹频段，却具有一些独特的特征和挑战性。资料来源：捷克科学院物理研究所电介质部

太赫兹电子

太赫兹频段已经在一些特殊应用中得到了一定的使用，比如可以看到表面下方或穿过墙壁的扫描仪，甚至是一些医疗应用。但由于校准和其他问题，这些系统都很复杂，成本也很高，而且还难以使用。因此，从许多方面看，太赫兹频段都是一个非常具有挑战性和挑剔的频段。不过，凡事皆有两面。

开发所需的太赫兹元器件，有两种主要解决方案。一种方案是继续缩小现有的高吉赫兹有源和无源元器件，但对这一方案在物理学、材料学、以及现实生产中，都遭遇到了很大的阻力。另一种方案是增大固态片上光学元器件的工作波长，从上方进入该频段。

前一种方案的成功可能性非常有限，而后一种方案则稍好一些。但不管是哪种方案，都非常艰难，进展甚微；而且如何解决所需的测试问题，也是一个不小的挑战。

现在，第三种方案正在获得越来越多研究者的青睐，并获得了一些成功。这种方案就是采用已经在一些光学元器件中使用的超材料器件(metadevice)。这种超器件利用的是微观级别的射频场，因此具有优异的电子特性。其中大部分的物理制造，利用的都是高端半导体技术，但基板使用的是铌酸锂等材料。

这些深亚波长尺寸的超器件，在集合式电磁相互作用的静电控制基础上工作，可以作为控制传统器件(比如二极管和晶体管)中电流的一种替代产品。这些超材料可以提供自然界中没有的功能，例如以意想不到的方式使光线弯曲的能力。光学超材料通常采用具有重复图案的结构，其尺寸小于受它们影响的光波长。

超器件的表征

瑞士联邦理工学院(ETHZurich)向业界展示了所取得的进展，以及他们的解决方案(见发表在《自然》杂志上的文章《用于太赫兹应用的电子超器件》)。他们的策略成就了一类新的电子器件，这些器件具有远远超过10THz的截止频率，创纪录的高电导值，极高的击穿电压和皮秒级的开关速度，而这些都是相关器件和电路的关键要素。

所开发的结构尺寸，比他们之前开发的用于控制的波浪集合式电磁相互作用结构还要小。他们在一个由氮化镓和氮化铟制成的半导体上，成功蚀刻出了亚波长间距的接触超结构图案。通过控制器件内部的电场，这些超结构可以产生自然界中无法实现的卓越特性(见图2)。