CN111697415B - 一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Weyl半金属‑纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法，包括拓扑量子材料，所述拓扑量子材料包括Weyl半金属，所述Weyl半金属的设有一贴附表面，所述贴附表面贴附有薄膜，所述薄膜用于构建所述Weyl半金属表面为纳米多孔金属结构，所述薄膜为纳米介孔金薄膜，所述纳米介孔金薄膜为三维纳米网状结构，且具有双连续的纳米通道与纳米金径，所述纳米介孔金薄膜厚度为百纳米量级，且表面平整的一层金薄膜。本发明实现以纳米介孔结构为媒介，构建金属‑外尔半金属复合材料，实现太赫兹辐射增强，且为一种新型的太赫兹辐射源。

Description

一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波产生的技术领域，具体为一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外波之间，其频率范围为0.1-10THz。太赫兹波是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域，具有低能性、相干性、瞬态性、高穿透性、光谱指纹特性、宽带性等优越独特的性质，因此太赫兹波在研究生物医学成像、癌细胞检测、药物毒品检测、***物检测、无损成像、安检、无线通信等领域都有很大的研究价值和前景。

近年来，随着太赫兹技术的发展，大量研究证明光整流晶体、金属或空气等离子体均是良好的太赫兹源。其中，利用光整流晶体产生太赫兹时，光整流晶体存在一定的损伤阈值，一些金属及其微结构同样存在损伤阈值较低的缺陷，很大程度上限制了高功率太赫兹波的产生。常见的产生高能量、宽频谱太赫兹的方法，如超快激光激励气体，需要很强的激光能量，这就要求激光光源***较为复杂，且***庞大，对环境稳定性要求高。利用不同材料产生THz辐射的研究也由来已久，本征半导体、掺杂半导体、超导材料、绝缘体-金属相变材料等的相继引入也为太赫兹发展提供了新机遇。现有的实验及理论表明半导体材料中的太赫兹发射主要由超快电子转移决定，如表面场中巨大的光电流，等离子体振荡以及近表面的非线性光学矫正等。但受限于材料的迁移率、载流子浓度等特性，THz波辐射强度及谱宽未能实现大幅度提升。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种以纳米介孔结构为媒介，构建金属-外尔半金属复合材料，实现太赫兹辐射增强，且为一种新型的太赫兹辐射源。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种Weyl半金属-纳米介孔复合结构，包括拓扑量子材料，所述拓扑量子材料包括Weyl半金属，所述Weyl半金属的设有一贴附表面，所述贴附表面贴附有薄膜，所述薄膜用于构建所述Weyl半金属表面为纳米多孔金属结构。

优选的，所述薄膜为纳米介孔金薄膜，所述纳米介孔金薄膜为三维纳米网状结构，且具有双连续的纳米通道与纳米金径。

优选的，所述纳米介孔金薄膜厚度为百纳米量级，且表面平整的一层金薄膜。

优选的，一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备纳米介孔金薄膜；

S2、将制备的纳米介孔金薄膜进行清洗；

S3、将清洗的纳米介孔金薄膜与Weyl半金属进行组装，得到Weyl半金属-纳米介孔复合结构；

S4、Weyl半金属-纳米介孔复合结构通过太赫兹波增强***增强太赫兹波增强。

优选的，步骤S1还包括：

S11、将一百层纳米厚的金银合金薄膜用丙酮清洗干净晾干，该金银合金的金、银的成分百分比为90:10或80：20；

S12、将晾干后的金银合金薄膜浸入饱和硝酸溶液中；

S13、该金银合金中的银被硝酸溶解，形成三维多孔结构的纳米介孔金薄膜。

优选的，步骤S2还包括：

S21、将纳米介孔金薄膜放入超纯水中，清洗掉残留的硝酸溶液；

S22、重复步骤S21，直至清洗残液中基本检测不到硝酸银。

优选的，步骤S3还包括：

S31、取一片Weyl半金属，且将其表面打磨平整光滑；

S32、将步骤S22中的纳米介孔金薄膜放置于Weyl半金属表面上；

S33、将该Weyl半金属放置于干燥空气中自然晾干，得到Weyl半金属-纳米介孔复合结构。

优选的，步骤S4还包括：

S41、将超短脉冲激光器输出的激光照射于分束器上，所述分束器将激光分成两束激光；

S42、选择分束器分束后的一束较强功率的激光脉冲为泵浦光束，将该泵浦光束照射于反射镜上，改变空间传输方向；

S43、通过聚焦透镜将泵浦光束聚焦于所述Weyl半金属-纳米介孔复合结构的纳米介孔金薄膜上，向外辐射太赫兹波；

S44、经过纳米介孔金薄膜结构后放大的太赫兹波经过第一离轴抛物面镜收集；

S45、通过硅片或其它滤波片滤出离轴抛物面镜中的太赫兹波，经过第二离轴抛物面镜被光电倍增探测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、以纳米介孔结构为媒介，构建金属-外尔半金属复合材料，利用等离子体共振增强，实现太赫兹辐射增强，是一种新型强太赫兹辐射源；

2、由纳米介孔结构提供的强局域电场进一步增加了Weyl半金属材料中的准粒子的初始状态和最终状态具的速度差，可以产生更强的太赫兹场；

3、纳米介孔结构电离出的自由电子为强太赫兹场提供了较多的电子数，增加了电流密度；

4、纳米介孔结构辐射的太赫兹波与Weyl半金属辐射的太赫兹波相干叠加进一步增强了太赫兹辐射；

5、将表面太赫兹光谱发展到纳米尺度，为实现纳米尺度表面光学分析，更为突破衍射极限的太赫兹高分辨成像开辟新思路。

附图说明

图1为本发明中Weyl半金属(TaAs)-纳米介孔金薄膜复合结构增强太赫兹辐射过程示意图。

图中：301.超短脉冲激光器；302.分束片；303.聚焦透镜；304.TaAs镀纳米多孔金薄膜结构；305.第二离轴抛物面镜；307.第二离轴抛物面镜；306.硅片；308.平面反射镜组；313.光电导天线；314.锁相放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的第一种实施例，一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构，包括拓扑量子材料，拓扑半金属按照三维动量空间中能带的交叉与简并情况，又可以分为Dirac半金属、Weyl半金属和Nodal-line半金属。在Dirac半金属中打破时间反演或空间反演对称性，Dirac点劈裂成一对具有相反手性的Weyl点，可以得到Weyl半金属。Weyl半金属展现出许多奇特的性质，如：手性反常、手性磁效应、反弱局域化、手性朗道能级和负磁阻效应等。相比于拓扑绝缘体和狄拉克半金属，Weyl半金属具有反演对称破缺、有限倾斜Weyl锥等特性。通过在Weyl半金属表面构建纳米多孔金属结构，结合Weyl半金属超高电子迁移率与纳米多孔材料表面等离子共振增强，所述拓扑量子材料包括Weyl半金属，所述Weyl半金属的设有一贴附表面，所述贴附表面贴附有薄膜，所述薄膜用于构建所述Weyl半金属表面为纳米多孔金属结构，所述纳米介孔结构辐射的太赫兹波与所述Weyl半金属辐射的太赫兹波相干叠加进一步增强了太赫兹辐射，而且纳米介孔结构电离出的自由电子为强太赫兹场提供了较多的电子数，增加了电流密度。

进一步的，所述薄膜为纳米介孔金薄膜，相比于普通的金纳米薄膜而言，具有更高的非线性系数以及表面电子发射能力，从而发射更强场太赫兹波，所述纳米介孔金薄膜为三维纳米网状结构，且具有双连续的纳米通道与纳米金径。

进一步的，所述纳米介孔金薄膜厚度为百纳米量级，且表面平整的一层金薄膜，所述纳米介孔金薄膜是厚度在百纳米量级且表面平整的一层金薄膜。三维无序结构使多孔金在大尺度可产生均匀的增强电磁场，是表面等离子体共振的基础，等离子体共振可以产生比入射激光更高的局域电场，产生局域电场增强，使表面光电子被激发成自由电子，形成等离子体电流，并辐射出太赫兹波。由等离子体共振形成的局域电场会使Weyl半金属材料中的准粒子的初始状态和最终状态具有更大的速度差，由于产生的非零光电流进一步增大，所以产生的太赫兹波进一步增强。

一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法，包括以下步骤：

S1、制备纳米介孔金薄膜；

S2、将制备的纳米介孔金薄膜进行清洗；

S3、将清洗的纳米介孔金薄膜与Weyl半金属进行组装，得到Weyl半金属-纳米介孔复合结构；

S4、Weyl半金属-纳米介孔复合结构通过太赫兹波增强***增强太赫兹波增强。

进一步的，步骤S1还包括：

S11、将一百层纳米厚的金银合金薄膜用丙酮清洗干净晾干，该金银合金的金、银的成分百分比为90:10或者80：20，将表面太赫兹光谱发展到纳米尺度，为实现纳米尺度表面光学分析，更为突破衍射极限的太赫兹高分辨成像开辟新思路；

S12、将晾干后的金银合金薄膜浸入饱和硝酸溶液中；

S13、该金银合金中的银被硝酸溶解，形成三维多孔结构的纳米介孔金薄膜。

进一步的，步骤S2还包括：

S21、将纳米介孔金薄膜放入超纯水中，清洗掉残留的硝酸溶液；

S22、重复步骤S21，直至清洗残液中基本检测不到硝酸银。

进一步的，步骤S3还包括：

S31、取一片Weyl半金属，且将其表面打磨平整光滑；

S32、将步骤S22中的纳米介孔金薄膜放置于Weyl半金属表面上；

S33、将该Weyl半金属放置于干燥空气中自然晾干，得到Weyl半金属-纳米介孔复合结构。

进一步的，步骤S4还包括：

S41、将超短脉冲激光器输出的激光照射于分束器上，所述分束器将激光分成两束激光；

S42、选择分束器分束后的一束较强功率的激光脉冲为泵浦光束，将该泵浦光束照射于反射镜上，改变空间传输方向；

S43、通过聚焦透镜将泵浦光束聚焦于所述Weyl半金属-纳米介孔复合结构的纳米介孔金薄膜上，向外辐射太赫兹波；

S44、经过纳米介孔金薄膜结构后放大的太赫兹波经过第一离轴抛物面镜收集；

S45、通过硅片或其它滤波片滤出离轴抛物面镜中的太赫兹波，经过第二离轴抛物面镜被光电倍增探测。

当飞秒激光激励Weyl半金属表面时，根据麦克斯韦方程组，电流密度J(z,t)，在皮秒时间尺度上变化时，将在太赫兹光谱范围内产生电磁辐射。一方面，Weyl半金属材料产生电荷载流子形成等离子体振荡，并向外辐射太赫兹波，而且Weyl半金属材料的载流子具有很高的迁移率，导致高强度太赫兹波辐射；另一方面，激光激励Weyl半金属材料，无质量的Weyl锥和远离费米能级Ef的块状体之间会发生带间跃迁，会引起大的非零光电流。如果电流在1ps的时间范围内衰减，即电荷快速减速，则会在太赫兹频率范围内发生电磁辐射，即产生太赫兹波。

而且飞秒激光激励纳米介孔金薄膜的过程中会电离产生自由电子，自由电子在激光电场的作用下运动，并辐射太赫兹波。同时有一部分自由电子会迁移至Weyl半金属表面，进一步增加Weyl半金属材料中的载流子密度，此过程产生的太赫兹波强度与电子浓度大小成正比。因此，辐射的太赫兹波得到进一步增强。

太赫兹波辐射工作原理：将超短脉冲激光器301输出激光利用分束片302实现激光脉冲分束，选择分束器分束后较强功率的一束激光脉冲作为泵浦光束，该光束经过透镜303聚焦于TaAs镀纳米介孔金薄膜复合结构304上，经纳米介孔金薄膜增强后产生强太赫兹波，辐射出的强太赫兹场经过第一度离轴抛物面镜305后收集反射，通过硅片306滤除泵浦光，再经过第二离轴抛物面镜307反射并聚焦于探测光电导天线313上，经分束片302后另一束光则通过光学延迟线DL入射到探测光电导天线313上，所述光学延迟线DL由平面反射镜组308构成，所述平面反射镜组308至少包括三个平面反射镜，光电导天线313输出的微弱电信号接入锁相放大器314中。通过改变光学延迟线，就可以扫描探测出由TaAs镀纳米介孔金薄膜复合结构304辐射的强太赫兹时域脉冲信号。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法，其特征在于，

Weyl半金属-纳米介孔复合结构包括：

拓扑量子材料，所述拓扑量子材料包括Weyl半金属，所述Weyl半金属设有一贴附表面，所述贴附表面贴附有薄膜，所述薄膜用于构建所述Weyl半金属表面为纳米多孔金属结构；

所述薄膜为纳米介孔金薄膜，所述纳米介孔金薄膜为三维纳米网状结构，且具有双连续的纳米通道与纳米金径，所述纳米介孔金薄膜是厚度为百纳米量级，且表面平整的一层金薄膜；

太赫兹增强方法包括以下步骤：

S1、制备纳米介孔金薄膜；

S2、将制备的纳米介孔金薄膜进行清洗；

S3、将清洗的纳米介孔金薄膜与Weyl半金属进行组装，得到Weyl半金属-纳米介孔复合结构；

S4、Weyl半金属-纳米介孔复合结构通过太赫兹波增强***增强太赫兹波，步骤S4还包括：

S41、将超短脉冲激光器输出的激光照射于分束器上，所述分束器将激光分成两束激光；

S42、选择分束器分束后的一束较强功率的激光脉冲为泵浦光束，将该泵浦光束照射于反射镜上，改变空间传输方向；

S43、通过聚焦透镜将泵浦光束聚焦于所述Weyl半金属-纳米介孔复合结构的纳米介孔金薄膜上，向外辐射太赫兹波，纳米介孔金薄膜辐射的太赫兹波与Weyl半金属辐射的太赫兹波相干叠加进一步增强了太赫兹辐射；

S44、经过纳米介孔金薄膜结构后放大的太赫兹波经过第一离轴抛物面镜收集；

S45、通过硅片或其它滤波片滤出第一离轴抛物面镜中的太赫兹波，经过第二离轴抛物面镜被光电倍增探测。

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