量子ドット単一THz光子検出器とイメージング顕微鏡への応用

量子点单太赫兹光子探测器及其在成像显微镜中的应用

基本信息

批准号：
11F01818
负责人：
生嶋健司
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、半導体量子構造によるテラヘルツ(1 THz=10^<12>Hz)帯域の単一光子検出機構を応用して、局所領域からのテラヘルツ放射を超高感度で検出・イメージングする基盤技術を提供することである。特に、単電子トランジスタとして動作する半導体量子ドットや量子ホール効果素子におけるランダウ準位間光学遷移を追及し、テラヘルツ帯域の検出器および光源の可能性を探る。現在、量子ドット検出器はGaAs/AIGaAsヘテロ構造結晶において作製され、強磁場中におけるサイクロトロン共鳴を利用しで2-3THz帯域のフォトンカウンティングに成功している。最近では、固体チップ上でのTHz光子制御を目指し、量子ホールエッジ状態を利用した点光源と量子ドット単一光子検出器を同一基板上で結合させる研究を挙展させている。一方で、検出器開発に関しては、中赤外光への波長拡張を目指し、グラフェンのランダウ準位を利用したTHz素子の開発を推進している。外国人研究員Dr. Hadley Videlierの研究目的は、グラフェン素子によるテラヘルツ帯の高感度検出器を開発し、局所領域からのTHz放射を超高感度で検出・イメージングする基盤技術を提供することである。特に、単電子トランジスタとして動作する半導体量子ドットや量子ホール効果素子におけるランダウ準位間光学遷移を追及し、テラヘルツ帯域の検出器および光源の可能性を探る。本研究において、(1) Kishグラファイトからの薄層グラフェン剥離方法、(2)グラフェンの電子ビームリソグラフィによる微細加工、(3)接触抵抗の軽減、(4)コンタミや吸着分子の除去、の各方法を研究室内で確立し、Bow-tieアンテナ付きグラフェンTHz素子を作製した。さらに、最近、比較的大きな単層グラフェン片が取り出せるようになったことから、グラフェンのランダウ準位発光をグラフェンそのもので検出するオンチップ・THz検出の素子開発も行った。電磁場解析シミュレーション(FDTD法)を用いて、局所的に発生した単層グラフェンからのランダウ準位発光を効率よく隣接した独立なグラフェンホール素子で検出するための設計を行った。

这项研究的目的是使用单个光子检测机制，利用Terahertz（1 Thz = 10^<12> Hz）频段中的半导体量子结构来提供一种从局部区域进行超敏感检测和成像Terahertz辐射的基本技术。特别是，我们将在半导体量子点和量子霍尔效应元素中追求Landau级别至级的光学转变，这些效应元素作为单电子晶体管运行，并探索Terahertz带谱检测器和光源的可能性。当前，量子点检测器是在GAAS/AIGAAS异质结构晶体中制造的，并在强磁场中使用cyclotron resonance在2-3THz谱带中成功地进行了光子计数。最近，该公司一直在研究使用量子孔边缘状态将点光源和量子点单光子检测器组合在同一基板上的使用，旨在控制实心芯片上的THZ光子。另一方面，关于探测器的发展，我们正在促进利用石墨烯水平的THZ设备的开发，目的是将波长扩展到中红外光。外国研究人员Hadley Videlier博士的研究目的是使用石墨烯设备开发高度敏感的Terahertz带探测器，并提供一种基本技术，该技术可检测和图像来自具有超高灵敏度的当地地区的THZ辐射。特别是，我们将在半导体量子点和量子霍尔效应元素中追求Landau级别至级的光学转变，这些效应元素作为单电子晶体管运行，并探索Terahertz带谱检测器和光源的可能性。在这项研究中，我们在实验室中建立了方法：（1）薄层石墨烯从基什石墨剥落，（2）使用电子束光刻摄影对石墨烯进行精细测量，（3）（3）降低接触电阻，以及（4）去除污染物和吸附分子，以及带有弓箭式和弓形船尾的污染物分子，以及与弓箭式船尾式托运的托架设备。此外，由于最近可以提取相对较大的单层石墨烯碎片，因此我们还开发了一种芯片THZ检测装置，该设备使用石墨烯本身检测石墨烯的Landau级发射。使用电磁场分析模拟（FDTD方法），进行了设计，以有效地检测来自局部生成的单层石墨烯的Landau水平发射，并具有相邻的独立石墨烯孔。