выпрямление терагерцового излучения при

ВЫПРЯМЛЕНИЕ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ
ВОЗБУЖДЕНИИ ПЛАЗМОНОВ В ДВУМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ
СИСТЕМЕ МЕТОДОМ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО
ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
К. В. Машинский1, 2, *, Д. В. Фатеев1, В. В. Попов1, 2
1
Саратовский филиал Института Радиотехники и электроники
им. В.А. Котельникова РАН, ул. Зелёная, 38, Саратов, 410019.
2
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского,
ул. Астраханская, 83, Саратов, 410012.
*
E-mail: [email protected]
Достижения в области исследования нелинейных свойств плазменных колебаний в двумерных электронных системах (2МЭС) открывают
путь к созданию высокочувствительных неохлаждаемых плазмонных детекторов терагерцового (ТГц) излучения [1]. Для плазмонного детектирования ТГц излучения используются структуры на основе полевых транзисторов с двумерным электронным каналом с одиночным затворным электродом [2], с несколькими затворными электродами [3] и с периодическим
решеточным затвором [4-6], который используется для эффективного возбуждения плазменных колебаний в 2МЭС [6].
Известно, что в таких структурах существуют два различных плазмонных фотогальванических эффекта, приводящих к выпрямлению ТГц
излучения: эффект увлечения электронов бегущей плазменной волной [7,8]
и эффект плазмонного храповика в поле стоячей плазменной волны [9].
При этом, второй эффект возникает только в пространственно неоднородной 2МЭС. Оба механизма действуют только в 2МЭС без вертикальной
плоскости зеркальной симметрии, которая достигается путем использования электрической или геометрической асимметрии. При этом, в асимметричной 2МЭС возбуждаются и бегущие и стоячие плазменные волны и,
таким образом, действуют оба вышеуказанных плазмонных ТГц фотогальванических эффекта.
Метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) применяется для возбуждения поверхностных и двумерных плазменных волн
в ТГц диапазоне [10,11]. В данной работе рассматривается выпрямление
терагерцового излучения при возбуждении плазмонов в двумерной электронной системе методом нарушенного полного внутреннего отражения.
При таком методе возбуждения можно независимо возбуждать бегущую
или стоячую плазменную волны в 2МЭС и, таким образом, изучать эффекты плазмонного увлечения и эффект плазмонного храповика по отдельности, что важно для сравнительного анализа этих эффектов.
При возбуждении плазменных волн в 2МЭС методом НПВО плоская
однородная электромагнитная волна падает из среды призмы под углом θ
относительно нормали на границу раздела призмы и слоя с относительной
диэлектрической проницаемостью  2 (вставка в рис. 1, а). При углах падения больших угла ПВО в барьерной среде существуют только эванесцентные поля, которые взаимодействуют со свободными зарядами в 2МЭС,
возбуждая плазменные волны. За счет нелинейных свойств плазменные
волны в 2МЭС проявляют два эффекта выпрямления ТГц излучения – эффект увлечения и эффект плазмонного храповика.
Рис. 1. Плотность электрического тока увлечения электронов (а) и плазмонного храповика (б) в зависимости от угла падения и частоты ТГц волны. На врезке панели (а)
представлено схематическое изображение структуры НПВО для возбуждения плазменных волн в 2МЭС.
Нелинейная динамика электронов в 2МЭС в гидродинамическом
приближении описывается уравнением Эйлера и уравнением непрерывности [12]. Решение гидродинамических уравнений методом теории возмущений позволяет вычислить постоянный ток, индуцированный в 2МЭС
осциллирующим электрическим полем. В общем случае, в периодической
2МЭС могут действовать оба различных плазмонных механизма выпрямления ТГц сигнала [9]. В пространственно однородной 2МЭС выпрямление ТГц сигнала происходит только за счет эффекта увлечения электронов
бегущей плазмонной волной, а в пространственно неоднородной 2МЭС –
за счет эффекта плазмонного храповика под действием стоячей плазменной волны.
Расчеты для бегущей и стоячей плазменных волн в 2МЭС велись в
рамках предположения об однородном распределении концентрации электронов в 2МЭС. Численные расчеты плотности выпрямленного тока проведены для 2МЭС на основе гетероструктуры GaAs/InGaAs при значении
диэлектрической постоянной возбуждающей призмы  2  5000 и толщине
барьерного слоя d = 0.25 мкм при значении частоты релаксации импульса
электронов   8.77 1011 c-1 . Как видно из рис. 1, резонансное возрастание
выпрямленного тока в 2МЭС происходит при углах падения, больших угла
полного внутреннего отражения (   2.5 ). Плазмонное выпрямление ТГц
излучения за счет эффекта плазмонного увлечения электронов (рис. 1, а)
наиболее эффективно в низкочастотном диапазоне, что согласуется с теоретическими результатами работы [9], полученными в приближении заданного поля.
При численных расчетах плотности выпрямленного тока плазмонного храповика (рис. 1, б) предполагалось, что периодическое распределение
равновесной концентрации электронов N0 ( x)  N0  N0 cos  2qx  , где q –
волновое число плазмона, сдвинуто по фазе на величину    / 4 в плоскости 2МЭС относительно распределения электрического поля стоячей
плазменной волны для достижения максимального эффекта плазмонного
храповика при каждом значении угла падения внешней ТГц волны. Электрический ток плазмонного храповика стремится к нулю с уменьшением
частоты ТГц волны (рис. 1, б), в то время как ток плазмонного увлечения
достигает своего максимального значения на низких (суб-ТГц) частотах.
Это связано с разной частотной зависимостью двух вышеуказанных эффектов ТГц выпрямления.
Таким образом, в данной работе решена задача о выпрямлении терагерцового излучения за счет плазмонных нелинейностей в периодической
двумерной электронной системе при возбуждении плазмонов методом
нарушенного полного внутреннего отражения. Выбранная модель позволяет изучать независимо различные механизмы плазмонного выпрямления в
двумерных электронных системах: эффект плазмонного увлечения электронов и эффект плазмонного храповика.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 12-02-00813).
Библиографический список
1. W. Knap et al. // J. Infrared Milli. Terahz. Waves, 30, 1319 (2009).
2. F. Teppe et al. // Appl. Phys. Lett., 87, 052107 (2005).
3. G.C. Dyer et al. // Appl. Phys. Lett., 100, 083506 (2012).
4. V.V. Popov et al. // Appl. Phys. Lett., 99, 243504 (2011).
5. T. Watanabe et al. // IEEE Sensors Journal, 13, 89 (2013).
6. V.V. Popov // J. Infrared Milli. Terahz. Waves, 32, 1178 (2011).
7. G.R. Aizin, V.V. Popov, O.V. Polischuk // Appl. Phys. Lett. 89, 143512 (2006).
8. G.R. Aizin, D.V. Fateev, G.M. Tsymbalov, V.V. Popov // Appl. Phys. Lett., 91, 163507 (2007).
9. V.V. Popov // Appl. Phys. Lett., 102, 253504 (2013).
10. H. Hirori, M. Nagai, K. Tanaka. // Optics Express, 13, 10801 (2005).
11. V. Bludov // J. Appl. Phys., 112, 084320 (2012)
12. M. Dyakonov, M. Shur. // IEEE Trans. Electron. Device, 43, 1640 (1996).
Сведения об авторах
Машинский Константин Викторович – студент, дата рождения:
26.06.1992г.
Фатеев Денис Васильевич – к.ф.-м.н., с.н.с., дата рождения: 11.06.1983г.
Попов Вячеслав Валентинович – д.ф.-м.н., зав.лаб., профессор, дата рождения: 13.01.1949г.
Вид доклада: устный