Спинтронные и фотопроводящие терагерцевые устройства: новые подходы к повышению эффективности генерации, детектирования и управления характеристиками терагерцевого излучения. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Горбатова Анастасия Владимировна

• Горбатова Анастасия Владимировна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Горбатова Анастасия Владимировна

Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ современных тенденций в области разработки источников и приемников импульсного терагерцевого излучения

1.1. Электромагнитное излучение терагерцевого диапазона частот и его применение

1.2. Сравнительный анализ распространенных источников и приемников терагерцевого излучения

1.2.1. Источники терагерцевого излучения

1.2.2. Приемники терагерцевого излучения

1.3. Фотопроводящие антенны для генерации и детектирования терагерцевого излучения

1.3.1. Устройство и физический принцип работы терагерцевых фотопроводящих антенн

1.3.2. Современные тенденции в области разработки фотопроводящих материалов

1.3.3. Конструкции электродов фотопроводящих антенн и их влияние на параметры терагерцевого излучения

1.3.4. Фотопроводящие антенны с плазмонными метаповерхностями

1.4. Спинтронные терагерцевые эмиттеры

1.4.1. Физические основы генерации терагерцевого излучения в спинтронных эмиттерах

1.4.2. Оптимизация эффективности оптико-терагерцевого преобразования спинтронных эмиттеров

1.4.3. Управление амплитудой, частотой и поляризацией терагерцевого излучения в спинтронных эмиттерах

1.5. Выводы по Главе

Глава 2. Экспериментальные и теоретические методы исследования

2.1. Метод терагерцевой спектроскопии с временным разрешением

2.1.1. Метод исследования фотопроводящих терагерцевых детекторов

2.1.2. Метод исследования фотопроводящих генераторов на основе кристаллов WSe2

2.1.3. Метод исследования спинтронных терагерцевых эмиттеров

2.2. Прочие методы структурного анализа образцов

2.3. Анализ анизотропных зависимостей терагерцевого излучения, генерируемого в результате оптического выпрямления

2.4. Анализ поляризации терагерцевого излучения

Глава 3. Исследование фотопроводящих детекторов на основе сверхрешеток InGaAs / InAlAs

3.1. Метод изготовления экспериментальных образцов

3.1.1. Метод изготовления фотопроводящего материала

3.1.2. Метод изготовления электродов антенн

3.2. Исследование темновых и световых вольт-амперных характеристик антенн

3.3. Исследование параметров регистрируемого детекторами терагерцевого излучения

3.4. Выводы по Главе

Глава 4. Исследование параметров терагерцевого излучения, генерируемого монослойным и объемным WSe2

4.1. Описание экспериментальных образцов кристаллитов WSe2, методов их изготовления, структурных параметров

4.1.1. Анализ структурных свойств монослойной пленки WSe2

4.1.2. Метод роста и анализ структурных свойств объемного кристалла WSe2

4.2. Генерация терагерцевого излучения с поверхности монослойного и объемного WSe2

4.3. Анализ механизмов генерации терагерцевого излучения в монослойном и объемном WSe2

4.4. Резонансное увеличение эффективности генерации терагерцевого излучения в монослойном WSe2

4.5. Выводы по Главе

Глава 5. Исследование спинтронных терагерцевых эмиттеров на основе структур Pt/Co, а также обменно-связанных структур с IrMn

5.1. Описание образцов спинтронных терагерцевых эмиттеров и методов их изготовления

5.2. Исследование эффективности генерации терагерцевого излучения в классическом спинтронном эмиттере Pt/Co

5.3. Резонансное увеличение эффективности генерации терагерцевого излучения в спинтронном эмиттере Pt/Co

5.3.1. Модель спинтронного эмиттера с брэгговским зеркалом и антиотражающим покрытием

5.3.2. Оптимизация конструкции брэгговских зеркал для увеличения поглощения в структуре Pt/Co

5.3.3. Анализ оптического поглощения и отражения в структуре Р11/С0 с оптимизированным брэгговским зеркалом и антиотражающим

покрытием

5.4. Управление поляризацией терагерцевого излучения в структуре Pt/Co

5.5. Управление характеристиками терагерцевого излучения, генерируемого обменно-связанными структурами с IrMn

5.6. Выводы по Главе

Заключение

Список литературы

Список сокращений

АОП - антиотражающее покрытие,

АСМ - атомно-силовая микроскопия,

АФМ - антиферромагнитный материал,

ВАХ - вольт-амперная характеристика,

ДПМ - дихалькогениды переходных металлов,

МБС - метаморфный буферный слой,

МОЭК - меридиональный оптический эффект Керра.

НМ - немагнитный материал (металл, полупроводник),

РСА - рентгеноструктурный анализ,

РЭМ - растровая электронная микроскопия,

СТЭ - спинтронный терагерцевый эмиттер,

ТГц - терагерцевый (-ое), 1012 Гц,

ФЛС - фотолюминесцентная спектроскопия,

ФМ - ферромагнитный металл,

ФПА - фотопроводящая антенна,

ХОГФ - химическое осаждение из газовой фазы,

E.A. - ось легкого намагничивания,

H.A. - ось трудного намагничивания,

IREE - обратный эффект Рашба-Эдельштейна (inverse Rashba-Edelstein effect), ISHE - обратный спиновый эффект Холла (inverse spin Hall effect), LT-GaAs(LT-InGaAs) - арсенид галлия (арсенид индия-галлия), выращенный при пониженной температуре, SNR - отношение сигнал/шум,

SOR - поверхностное оптическое выпрямление (surface optical rectification), THz-TDS - терагерцевая спектроскопия с временным разрешением (terahertz tome-domain spectroscopy),

Ti:Sapphire-лазер - фемтосекундный лазер на основе кристалла сапфира, легированного ионами титана.

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке физических основ создания источников и приемников терагерцевого излучения с улучшенными и контролируемыми характеристиками. В работе рассмотрено несколько концепций терагерцевых устройств: фотопроводящие терагерцевые детекторы, фотопроводящие генераторы терагерцевого излучения на основе новых полупроводниковых материалов и спинтронные терагерцевые эмиттеры на основе ферромагнитных, антиферромагнитных и полупроводниковых структур.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спинтронные и фотопроводящие терагерцевые устройства: новые подходы к повышению эффективности генерации, детектирования и управления характеристиками терагерцевого излучения.»

Актуальность работы

Недавние успехи в области терагерцевых (ТГц) технологий продемонстрировали новые возможности применения ТГц излучения в таких сферах, как контроль качества, материаловедческое сканирование, беспроводная связь, астрономия и медицина [1]. ТГц излучение также находит применение для исследования конденсированных сред, например, для управления параметрами порядка в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках [2,3]. Появляются новые научные области, такие как ТГц спинтроника [4,5], и новые методы исследования наноструктур - зондовая ТГц спектроскопия, позволяющая исследовать динамические процессы в средах на молекулярном уровне [6].

Несмотря на очевидные перспективы применения ТГц технологий, их

использование на практике ограничено рядом технических и экономических

трудностей. Создание эффективных источников и детекторов

широкополосного ТГц излучения сегодня представляет собой актуальную

задачу. Для широкого распространения ТГц технологий необходимы

технологически простые, компактные и недорогие решения. Научные задачи,

решаемые в области ТГц спектроскопии и визуализации, зачастую

предполагают необходимость амплитудно-частотного и фазового анализа ТГц

излучения. Поэтому наибольший интерес представляют концепции ТГц

устройств, предлагающие возможность настройки их рабочих характеристик

7

путем масштабирования/оптимизации конструкции прибора, структуры материалов или иными способами, включая воздействие внешними электрическими/магнитными полями, оптическим излучением. Кроме того, из-за чувствительности некоторых структур, изучаемых в физике конденсированных сред, к поляризации ТГц излучения [7], востребованными оказались ТГц источники с управляемыми состояниями поляризации и поляризационно-селективные ТГц детекторы.

Наиболее распространенный способ генерации импульсного ТГц излучения основан на взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с веществом [8]. Среди таких источников перечисленным ранее требованиям лучше всего удовлетворяют фотопроводящие антенны (ФПА) [9] и спинтронные терагерцевые эмиттеры (СТЭ) [10]. Принцип работы ФПА основан на лазерно-индуцированном возбуждении фототока в полупроводниковых материалах и его дрейфе под действием постоянного (или терагерцевого) электрического поля [9]. Для изготовления СТЭ используются структуры на основе тонких пленок ферромагнитных (ФМ) и немагнитных (НМ) металлов, а генерация ТГц излучения в них осуществляется, главным образом, за счет процессов спин-зарядового преобразования [10].

Основная проблема всех ФПА связана с их низкой эффективностью

оптико-ТГц преобразования ( < 10-5 %) [11]. В литературе предлагаются два

способа оптимизации этого параметра. Первый предполагает модификацию

свойств материалов антенн для повышения их фотопроводимости [12,13], а

также поиск новых материалов [14] с улучшенными характеристиками. Среди

модифицированных материалов ФПА одними из наиболее перспективных

являются сверхрешеточные конструкции на основе InGaAs/InAlAs,

выращенные при пониженной температуре и демонстрирующие оптимальный

компромисс между подвижностью, временем жизни носителей заряда и

удельным сопротивлением [13,15]. Среди новых материалов, перспективных

при переходе к наноразмерным устройствам ТГц оптоэлектроники, большое

внимание уделяется графеноподобным дихалькогенидам переходных

8

металлов (ДПМ) [14]. Второй подход основан на оптимизации конструкции электродов антенн для достижения требуемых характеристик ТГц излучения (амплитуда, частота) [16], а также высокого отношения сигнал/шум (БКЯ) за счет интеграции метаповерхностей, которые значительно увеличивают эффективность и чувствительность прибора благодаря эффекту локального плазмонного резонанса [9,11].

В сравнении с ФПА СТЭ отличаются простотой конструкции, высокой технологичностью и широким рабочим диапазоном ТГц частот [17]. Они демонстрируют много возможностей для манипуляции амплитудно-частотными и фазовыми характеристиками ТГц излучения [10], а также его поляризацией (без потери в амплитуде) за счет изменения ориентации магнитного момента ФМ пленки, что было показано для магнитострикционных структур FeCo/TbCo2 [18] и структур на пьезоактивных подложках [19]. Новое направление в области разработки СТЭ рассматривает возможность включения в конструкцию прибора антиферромагнитных (АФМ) материалов, что, с одной стороны, позволяет создавать магнитную анизотропию в ФМ слое за счет обменного взаимодействия [20], а с другой — открывает дополнительные возможности для управления магнитными и ТГц характеристиками за счет лазерно-индуцированного воздействия [20].

В соответствии с этим были сформулированы цели и задачи диссертационного исследования:

Цель работы заключалась в разработке и обосновании физических принципов повышения эффективности фотопроводящих и спинтронных ТГц устройств, в том числе: достижения максимальной эффективности ТГц генерации и детектирования, улучшения отношения сигнал/шум, а также разработки новых методов управления характеристиками ТГц излучения (амплитудой, поляризацией).

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование механизмов увеличения чувствительности и отношения сигнал/шум фотопроводящих ТГц детекторов на основе сверхрешетки InGaAs/InAlAs.

2. Экспериментальное исследование физических основ генерации терагерцевого излучения в структурах на основе полупроводниковых дихалькогенидов переходных металлов и теоретический анализ механизмов генерации. Разработка физических принципов повышения эффективности генерации ТГц излучения в двумерных полупроводниках.

3. Разработка методов повышения эффективности генерации ТГц излучения и методов управления поляризацией ТГц излучения в спинтронном ТГц эмиттере на основе структуры Р^Со, принцип работы которого основан на обратном спиновом эффекте Холла: моделирование и экспериментальная верификация полученных результатов.

4. Оценка влияния лазерно-индуцированного воздействия на обменное взаимодействие в спинтронном ТГц эмиттере с антиферромагнитным слоем 1гМп.

Методы исследования

Параметры ТГц излучения (амплитуда, частота, отношение сигнал/шум - SNR), генерируемого/детектируемого исследуемыми образцами, анализировались методом ТГц спектроскопии с временным разрешением. Данный метод позволяет также анализировать поляризацию ТГц излучения при использовании сетчатого ТГц поляризатора и кристалла-детектора ZnTe, выполняющего роль анализатора. Анализ структурных характеристик образцов проводился методами оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, и рентгеноструктурного анализа. Оптические свойства кристаллитов ДПМ исследованы методом фотолюминесцентной спектроскопии. Параметры обменного смещения в СТЭ с АФМ слоем IrMn исследованы методом меридионального магнитооптического эффекта Керра. Моделирование

10

оптического поглощения и распределения электромагнитного поля в структурах проводилось в программном пакете COMSOL Multiphysics.

Обоснованность и достоверность результатов

Обоснованность применяемых в рамках диссертационного исследования методов подтверждена обширной базой российской и международной литературы, которая описывает их успешное использование для аналогичных исследовательских задач. Достоверность полученных результатов гарантируется комплексным анализом образцов с применением устоявшихся, широко признанных методик, а также многократной воспроизводимостью экспериментальных данных. Все экспериментальные результаты были получены на современном и высокоточном оборудовании, подтверждены аналитическими и численными моделями и хорошо согласуются с результатами российских и зарубежных научных групп, представленными в литературе. Результаты диссертационной работы были апробированы на российских и международных конференциях, а также опубликованы в рецензируемых научных изданиях, входящих в рекомендованный список ВАК Министерства науки и высшего образования РФ и индексируемых в наукометрических базах данных Scopus и Web of Science.

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования были представлены

автором лично на шести российских и международных конференциях:

Международная научная конференция «Materials Science and Condensed Matter

Physics» (MSCMP-2018, Кишинев, Молдова, 25-28 сентября, 2018),

Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные

проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC - 2018,

Москва, Россия 19-23 ноября, 2018), VIII Международная конференция по

фотонике и информационной оптике (Москва, Россия, 23-25 января, 2019),

«International Conference on Nanoscience and Nanotechnology» (ICNN 2019,

Алушта, Россия, 11-14 октября, 2019), IX Международная конференция по

11

фотонике и информационной оптике (Москва, Россия, 29-31 января, 2020), XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, Россия, 1-3 февраля, 2023).

Научная новизна

1. Впервые продемонстрирован высокочувствительный плазмонный терагерцевый детектор на основе сверхрешеточной структуры InGaAs/InAlAs с логарифмическими спиральными электродами и слоем пассивации SiзN4 между металлизацией и сверхрешеткой. Показано, что предложенный подход, основанный на создании условий локального плазмонного резонанса и снижении токов утечки за счет интеграции пассивирующего слоя, приводит к повышению чувствительности детектора в 300 раз и увеличению отношения сигнал/шум на 50 %.

2. Впервые показано, что генерация ТГц излучения с поверхности монослойной пленки WSe2 связана с эффектом оптического выпрямления второго порядка. Предложен способ увеличения эффективности терагерцевой эмиссии в структуре монослойный WSe2/SiO2/Si за счет создания условий резонансного оптического поглощения в монослое, что было подтверждено результатами численного моделирования.

3. Впервые представлен двухслойный спинтронный терагерцевый эмиттер на основе структуры Р^Со с одноосной внутриплоскостной магнитной анизотропией, продемонстрировавший: 1) эффективность оптико-терагерцевого преобразования около 0.007%, что в 2-3 раза выше эффективности, наблюдаемой в оптимизированной трехслойной конструкции W/CoFeB/Pt с брэгговским резонатором и кристалле 7пТе; 2) возможность прецизионного поворота поляризации терагерцевого излучения на 360° при изменении величины напряженности магнитного поля без применения дополнительных конструкций, таких как магнитострикционные структуры ТЬС°2^еСо и пьезоактивные подложки РМЫ-РТ.

4. Впервые показано, что оптически-индуцированное разрушение

магнитной анизотропии в обменно-связанных структурах спинтронных

12

терагерцевых эмиттеров с антиферромагнитным слоем 1гМп позволяет осуществлять контроль не только над магнитными характеристиками структуры (обменными и коэрцитивными полями), но и увеличить эффективность спиновой инжекции в слой 1гМп, что способствует общему повышению оптико-терагерцевой конверсии эмиттера.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Эффект локального плазмонного резонанса в сверхрешеточной структуре InGaAs/InAlAs приводит к 300-кратному увеличению чувствительности детектирования терагерцевого излучения при использовании логарифмических спиральных электродов с металлическими плазмонными решетками (период решетки - 200 нм, коэффициент заполнения - 0.5) в зазоре антенны.

2. Монослойная пленка WSe2 на подложке 8102(285 нм)/Б1 демонстрирует высокую эффективность генерации терагерцевого излучения благодаря эффекту оптического выпрямления второго порядка, превышая по этому параметру моноатомную пленку In0.53Ga0.47As в 2 раза. Создание условий оптического резонансного поглощения в структуре WSe2/S102/S1 с оптимизированной толщиной диоксида кремния 130 нм приводит к 3-кратному увеличению эффективности генерации терагерцевого излучения в монослойной пленке WSe2.

3. Создание одноосной магнитной анизотропии в плоскости спинтронного эмиттера Р11/С0, работающего на основе обратного спинового эффекта Холла, обеспечивает: 1) достижение эффективности оптико-терагерцевой конверсии ~ 0.007 %; 2) возможность прецизионного поворота поляризации терагерцевого излучения на 360о намагничивающим полем. Создание условий резонансного оптического поглощения в пленках эмиттера за счет использования брэгговского зеркала на основе сверхрешетки 10 х ^102(160 нм)/ТЮ2(96 нм)] и подложки из высокоомного кремния приводит к 9-кратному увеличению эффективности терагерцевой генерации.

4. Лазерно-индуцированный нагрев антиферромагнитного слоя 1гМд в структуре спинтронного эмиттера IrMn/Co/WSe2 до температур выше температуры блокировки приводит к уменьшению обменного взаимодействия между слоями 1гМп и Со, способствуя увеличению эффективности спиновой инжекции из слоя Со в слой 1гМд и повышению эффективности генерации терагерцевого излучения.

Практическая значимость

Практическая значимость представленной работы заключается в улучшении рабочих характеристик генераторов и детекторов ТГц излучения, а именно ФПА и СТЭ, не только с точки зрения их эффективности и чувствительности, но и управляемости параметрами генерируемого ТГц излучения. Результаты проведенных исследований представляют интерес для улучшения эксплуатационных характеристик существующих, а также новых устройств ТГц оптоэлектроники и ТГц спинтроники.

Внедрение результатов работ и рекомендации по их использованию

Результаты диссертационного исследования могут быть использованы для развития: материальной и компонентной базы ТГц источников и приемников, применяемых в системах ТГц спектроскопии; методов генерации и регистрации ТГц импульсов; повышения эффективности и чувствительности ТГц источников/приемников; способов управления характеристиками (амплитудой, частотой, фазой и поляризацией) генерируемых ТГц импульсов. Результаты диссертационного исследования были использованы при выполнении проектов Министерства образования и науки РФ (проект № 07515-2022-1131 (Мегагрант) и государственное задание № FSFZ-2023-0005).

Личный вклад автора заключается в создании установок ТГц спектроскопии с временным разрешением и экспериментальном исследовании параметров ТГц излучения в образцах ТГц генераторов и детекторов; численном моделировании взаимодействия оптических волн с кристаллитами WSe2, ФПА и СТЭ с использованием платформы COMSOL Multiphysics;

анализе и теоретическом обосновании полученных экспериментальных результатов.

Вклад соискателя в публикации, выполненные в соавторстве, аналогичен вышеизложенному.

Образцы ФПА с использованием сверхрешеточной структуры InGaAs/InAlAs, включая функциональные пленки и электродные структуры, были изготовлены в Институте сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН под руководством Д. С. Пономарева. Объемные кристаллические образцы WSe2 были синтезированы методом газофазной транспортной реакции научной группой под руководством Л. Кулюка в Академии наук Молдовы. Образцы СТЭ были изготовлены методом магнетронного распыления в Институте физики микроструктур РАН под руководством М.В. Сапожникова.

Анализ топологии изготовленных ТГц антенн их темновых и световых вольт-амперных характеристик проведен соискателем лично либо при его непосредственном участии. Анализ структурных характеристик и оптических свойств кристаллических образцов WSe2 проведен при непосредственном участии автора. Анализ анизотропных зависимостей ТГц излучения, генерируемого в полупроводниках WSe2 вследствие нелинейно-оптических процессов, проведен автором лично.

Идея динамической релаксации для моделирования поворота намагниченности в одноосных магнитных пленках была предложена В.Л. Преображенским (д.ф.-м.н., главный научный сотрудник научного центра волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН).

Публикации

Основные выводы и результаты диссертации отражены в 7 научных статьях, опубликованных в рецензируемых отечественных и зарубежных изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства науки и высшего образования РФ, а также в международные базы данных Scopus и Web of Science.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы, содержащего 207 источников. Общий объем диссертации составляет 138 страниц, в том числе 38 рисунков и 9 таблиц.

Глава 1. Анализ современных тенденций в области разработки источников и приемников импульсного терагерцевого излучения.

1.1. Электромагнитное излучение терагерцевого диапазона частот и его применение.

Терагерцевым (ТГц) называют электромагнитное излучение с частотами от 100 ГГц до 10 ТГц. В естественном виде некогерентное ТГц излучение существует как часть теплового излучения твердых тел, например, реликтового космического излучения, которое давно привлекает внимание исследователей в области астрономии [21]. Известные подходы, используемые для генерации излучения в смежных с ТГц диапазоном ИК- (квантово-каскадные и твердотельные полупроводниковые лазеры) и СВЧ-диапазонах (резонансные туннельные диоды, диоды Ганна, лампы бегущей волны), оказались неприменимы для генерации ТГц излучения [22].

Разработка твердотельных фемтосекундных лазеров в 80-90-х гг. [23] способствовала открытию новых способов генерации когерентного ТГц излучения и его детектирования за счет процессов взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с веществом [24] и развитию метода импульсной ТГц спектроскопии c временным разрешением (terahertz timedomain spectroscopy - THz-TDS) [25].

Среди наиболее важных особенностей излучения ТГц диапазона можно отметить следующие:

1) в ТГц диапазоне частот находятся резонансные моды многих сложных молекулярных соединений, что наряду с неинвазивными свойствами ТГц излучения позволяет использовать его для химического анализа органических структур (органических кислот, аминокислот, белков, сахаров, полипептидов, молекул ДНК и РНК) [26], лекарственных препаратов [27], а также обнаружения наркотических и взрывчатых веществ [28].

2) многие диэлектрические материалы (бумага, дерево, пластмассы, ткани, керамики) прозрачны в ТГц диапазоне, что нашло свое применение в

системах ТГц визуализации для мониторинга промышленных процессов, неразрушающего контроля качества пищевой и фармацевтической продукции, а также в области обеспечения безопасности [29,30].

3) большое поглощение ТГц излучения молекулами воды (на частоте ~ 1.7 ТГц) позволяет применять методы ТГц спектроскопии и визуализации в системах медицинской диагностики для обнаружения раковых образований различной локализации благодаря высокой степени их гидратации [31-33].

4) аппаратное обеспечение, лежащее в основе 6G и последующих беспроводных технологий, становится все более важным. В связи с этим намечается переход телекоммуникаций от СВЧ в ТГц диапазон, что позволит повысить пропускную способность беспроводных сетей до 1-10 Тбит/с [1,34].

5) излучение ТГц диапазона позволяет возбуждать различные процессы в твёрдых телах: управлять параметрами порядка ферроиков за счет воздействия на их фононные моды [35,36], спиновую динамику и динамику намагниченности [37,38].

Таким образом, исследования в области ТГц технологий отличаются своей междисциплинарностью, что отражено в дорожной карте развития ТГц науки и технологий от 2023 года [1]. В то же время наблюдается активное внедрение ТГц технологий в различные отрасли науки и индустрии [1]. Потребности наукоемких отраслей промышленности привели к необходимости перехода от лабораторных ТГц установок к поставкам ТГц технологий в широких промышленных масштабах, в том числе с возможностью их развертывания в полевых условиях для наземных и космических исследований [1]. В связи с этим, основная задача научного сообщества, занятого в ТГц отрасли, заключается в усовершенствовании ТГц техники в условиях растущих потребностей наукоемких производств. Основные проблемы сводятся к разработке эффективных ТГц генераторов, позволяющих получать широкополосное и мощное ТГц излучение, и чувствительных ТГц детекторов с широкой полосой пропускания.

1.2. Сравнительный анализ распространенных источников и приемников терагерцевого излучения.

1.2.1. Источники терагерцевого излучения.

Среди основных требований, предъявляемых к источникам импульсного ТГц излучения, выделяют следующие:

1) высокая степень когерентности ТГц излучения во времени и в пространстве;

2) высокая эффективность оптико-ТГц преобразования и высокая пиковая напряженность электрического поля ТГц волны (свыше 100 кВ/см);

3) широкий частотный диапазон генерируемых частот (от 0.1 до 10 ТГц и выше) с отсутствием разрывов в частотном спектре;

4) стабильные по времени выходные параметры (мощность и частота);

5) возможность управления параметрами ТГц излучения (амплитудными и частотными характеристиками, поляризацией);

6) компактность и простота, низкая себестоимость;

7) возможность использования портативных низкоэнергетичных лазерных систем накачки с энергий в импульсе ~ 1 нДж (предпочтительно дешевых оптоволоконных ИК-лазеров).

В системах ТН^-ТОБ метод генерации когерентного пикосекундного ТГц излучения основан на взаимодействии сверхкоротких лазерных импульсов (с длительностью от 10 до 100 фс) с веществом. Для настольных ТГц спектрометров наиболее предпочтительны компактные и энергоэффективные ТГц источники. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика наиболее распространенных источников ТГц излучения с ссылками на литературные источники [8]: 1) полупроводниковые пленки и ФПА на их основе (ОаЛБ, 1пЛб, 1пР, 1пОаЛБ и др.), 2) неорганические (7пТе, LiNЪOз, ОаР, СёТе) и органические (БЛБТ, DSTMS, ОН1, БКЛ) нелинейно-оптические кристаллы, 3) спинтронные терагерцевые эмиттеры (СТЭ).

Таблица 1 - Сравнительная характеристика распространенных ТГц

источников в системах THz-TDS.

Ключевые характеристики

ТГц источники Электрическое поле, МВ/см Рабочий диапазон частот, ТГц Пороговая энергия в импульсе для ТГц генерации, нДж

ФПА GaAs 0.12 [39] 30 [40] 10 [11]

InGaAs 5 • 10-6 [41] 5 [41] 0.1 [41]

Неорганические кристаллы ZnTe 49 10-3 [42] 40 [43] 1 [43]

GaP 0.410-3[44] 8 [44] 1 [45]

LiNbOз 7.5 [46] 3 [47] 103 [47]

Органические кристаллы DSTMS 180 [48] 10 [49] 103[48]

DAST 40 [50] 20 [51] 103 [52]

OHl 100 [48] 3 [48] 103 [48]

СТЭ W/CoFeB/Pt 1.5 [53] 30 [53] 2.5 [17]

ФПА состоят из фотопроводящего материала (обычно полупроводники на основе GaAs и InGaAs) с изготовленной на нем металлической антенной [9]. Генерация ТГц излучения в ФПА основана на лазерно-индуцированном возбуждении пикосекундного фототока в полупроводнике и его ускорении под действием электрического поля [12]. Как видно из таблицы 1, предельные напряженности электрических полей ТГц импульсов, генерируемых ФПА на основе низкотемпературного LT-GaAs, не превышают нескольких сотен кВ/см при достаточно широком частотном спектре, достигающем 30 ТГц [39,40] (таблица 1). Среди прочих достоинств антенн можно отметить следующие: 1) возможность создания генераторов/детекторов с требуемыми характеристиками (эффективностью/чувствительностью, шириной частотного спектра/полосой пропускания) за счет оптимизации фотопроводящих материалов и конструкций электродов, 2) возможность амплитудной модуляция ТГц сигнала электрическими полями [9].

Среди основных недостатков ФПА можно выделить их относительно высокую себестоимость, обусловленную использованием технологических процессов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия, требующих дорогостоящего оборудования и применения опасных газов. Кроме того, даже для создания простейших электродов ФПА используются методы микролитографии, а при создании электродов с наноразмерными метаповерхностями требуются еще более прецизионные методики [9]. При разработке ФПА также необходимо учитывать вероятность повреждения фотопроводящего материала вследствие электрического и теплового пробоя. Это накладывает существенные ограничения на интенсивность используемого излучения накачки и требует поиска фотопроводящих материалов с высоким удельным сопротивлением.

Органические и неорганические электрооптические кристаллы генерируют ТГц импульсы за счет эффекта оптического выпрямления. Основным недостатком неорганических нелинейных кристаллов является необходимость согласования оптической групповой скорости возбуждающего лазерного импульса с фазовой скоростью ТГц импульса [8]. Полярность нелинейных кристаллов также приводит к возникновению разрывов в спектре ТГц излучения на частоте оптических фононов и сужению рабочего частотного диапазона [8]. Улучшенное согласование групповой оптической скорости и фазовой скорости ТГц волн может быть достигнуто при использовании, например, тонких пленок 7пТе с толщиной 10 мкм [43]. Однако несмотря на увеличение частотного спектра ТГц излучения до 40 ТГц (таблица 1), это приводит к появлению множества разрывов в самом спектре

[43].

Кристаллы LiNЪOз используются для генерации мощных ТГц полей с

напряженностью до 7.5 МВ/см [46] (таблица 1). Однако для своей работы они

требуют применения сложной схемы накачки оптическим импульсом с

наклонным фронтом для согласования скоростей и использования низких

температур [8,46]. Также стоит отметить, что рекордное значение

21

напряженности 7.5 МВ/см получено при высокой энергии в импульсе накачки, составляющей 126 мДж/см2 [46].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горбатова Анастасия Владимировна, 2024 год

Список литературы

1. Leitenstorfer A. et al. The 2023 terahertz science and technology roadmap // J. Phys. D. Appl. Phys. 2023. Vol. 56, № 22. P. 223001.

2. Kubacka T. et al. Large-Amplitude Spin Dynamics Driven by a THz Pulse in Resonance with an Electromagnon // Science (80-. ). 2014. Vol. 343, № 6177. P. 1333-1336.

3. Li P.-F. et al. Organic enantiomeric high-Tc ferroelectrics // Proc. Natl. Acad. Sci. 2019. Vol. 116, № 13. P. 5878-5885.

4. Walowski J., Münzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120, № 14.

5. Kampfrath T. et al. Ultrafast and terahertz spintronics: Guest editorial // Appl. Phys. Lett. 2023. Vol. 123, № 5.

6. Cocker T.L. et al. Nanoscale terahertz scanning probe microscopy // Nat. Photonics. 2021. Vol. 15, № 8. P. 558-569.

7. Li P. et al. Spintronic terahertz emission with manipulated polarization (STEMP) // Front. Optoelectron. 2022. Vol. 15, № 1. P. 12.

8. Bull C. et al. Spintronic terahertz emitters: Status and prospects from a materials perspective // APL Mater. 2021. Vol. 9, № 9.

9. Lepeshov S. et al. Enhancement of terahertz photoconductive antenna operation by optical nanoantennas // Laser Photon. Rev. 2017. Vol. 11, № 1. P. 1600199.

10. Feng Z. et al. Spintronic terahertz emitter // J. Appl. Phys. 2021. Vol. 129, № 1.

11. Berry C.W. et al. Significant performance enhancement in photoconductive terahertz optoelectronics by incorporating plasmonic contact electrodes // Nat. Commun. 2013. Vol. 4, № 1. P. 1622.

12. Burford N.M., El-Shenawee M.O. Review of terahertz photoconductive antenna technology // Opt. Eng. 2017. Vol. 56, № 1. P. 010901.

13. Martin M., Brown E.R. Critical comparison of GaAs and InGaAs THz photoconductors / ed. Sadwick L.P., O'Sullivan C.M. 2012. P. 826102.

14. Shi Z. et al. Two-dimensional materials toward Terahertz optoelectronic device applications // J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev. 2022. Vol. 51. P. 100473.

15. Lavrukhin D. V. et al. Strain-Induced InGaAs-Based Photoconductive Terahertz Antenna Detector // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2021. Vol. 11, № 4. P. 417-424.

16. Tani M. et al. Emission characteristics of photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs // Appl. Opt. 1997. Vol. 36, № 30. P. 7853.

17. Seifert T. et al. Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertz radiation // Nat. Photonics. 2016. Vol. 10, № 7. P. 483-488.

18. Khusyainov D. et al. Polarization control of THz emission using spin-reorientation transition in spintronic heterostructure // Sci. Rep. 2021. Vol. 11, № 1. P. 697.

19. Khusyainov D. et al. Composite Multiferroic Terahertz Emitter: Polarization Control via an Electric Field // Phys. Rev. Appl. 2022. Vol. 17, № 4. P. 044025.

20. Saito Y. et al. Terahertz Emission Spectroscopy of Exchange-Biased Spintronic Heterostructures: Single- and Double-Pump Techniques // Phys. Rev. Appl. 2023. Vol. 19, № 6. P. 064040.

21. Siegel P.H. Terahertz technology // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2002. Vol. 50, № 3. P. 910-928.

22. Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology // Nat. Photonics. 2007. Vol. 1, № 2. P. 97-105.

23. Sibbett W., Lagatsky A.A., Brown C.T.A. The development and application of femtosecond laser systems // Opt. Express. 2012. Vol. 20, № 7. P. 6989.

24. Auston D.H., Cheung K.P., Smith P.R. Picosecond photoconducting Hertzian dipoles // Appl. Phys. Lett. 1984. Vol. 45, № 3. P. 284-286.

25. Han P.Y., Zhang X.-C. Free-space coherent broadband terahertz time-domain spectroscopy // Meas. Sci. Technol. 2001. Vol. 12, № 11. P. 1747-1756.

26. Plusquellic D.F. et al. Applications of Terahertz Spectroscopy in Biosystems

122

// ChemPhysChem. 2007. Vol. 8, № 17. P. 2412-2431.

27. Ajito K. et al. Terahertz Spectroscopic Imaging of Polymorphic Forms in Pharmaceutical Crystals // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2011. Vol. 538, № 1. P. 3338.

28. Kawase K. et al. Mail screening applications of terahertz radiation // Electron. Lett. 2010. Vol. 46, № 26. P. S66.

29. Pawar A.Y. et al. Terahertz technology and its applications // Drug Invent. Today. 2013. Vol. 5, № 2. P. 157-163.

30. Liu H.-B. et al. Terahertz Spectroscopy and Imaging for Defense and Security Applications // Proc. IEEE. 2007. Vol. 95, № 8. P. 1514-1527.

31. Nakajima S. et al. Terahertz imaging diagnostics of cancer tissues with a chemometrics technique // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90, № 4. P. 041102.

32. Ashworth P.C. et al. Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer // Opt. Express. 2009. Vol. 17, № 15. P. 12444.

33. Oh S.J. et al. Study of freshly excised brain tissues using terahertz imaging // Biomed. Opt. Express. 2014. Vol. 5, № 8. P. 2837.

34. Jiang W. et al. Terahertz Communications and Sensing for 6G and Beyond: A Comprehensive Review // IEEE Commun. Surv. Tutorials. 2024. P. 1-1.

35. Blank T.G.H. et al. Two-Dimensional Terahertz Spectroscopy of Nonlinear Phononics in the Topological Insulator MnBi2Te4 // Phys. Rev. Lett. 2023. Vol. 131, № 2. P. 026902.

36. Formisano F. et al. Laser-induced THz piezomagnetism and lattice dynamics of antiferromagnets MnF2 and CoF2 // Ann. Phys. (N. Y). 2022. Vol. 447. P. 169041.

37. Blank T.G.H. et al. THz-Scale Field-Induced Spin Dynamics in Ferrimagnetic Iron Garnets // Phys. Rev. Lett. 2021. Vol. 127, № 3. P. 037203.

38. Mikhaylovskiy R. V. et al. Terahertz emission spectroscopy of laser-induced spin dynamics in TmFeO3 and ErFeO3 orthoferrites // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 90, № 18. P. 184405.

39. Bacon D.R. et al. Photoconductive arrays on insulating substrates for high-

123

field terahertz generation // Opt. Express. 2020. Vol. 28, № 12. P. 17219.

40. Shen Y.C. et al. Ultrabroadband terahertz radiation from low-temperature-grown GaAs photoconductive emitters // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83, № 15. P. 3117-3119.

41. Mittendorff M. et al. Large area photoconductive terahertz emitter for 1.55 ^m excitation based on an InGaAs heterostructure // Nanotechnology. 2013. Vol. 24, № 21. P. 214007.

42. Blanchard F. et al. Generation of 1.5 ^J single-cycle terahertz pulses by optical rectification from a large aperture ZnTe crystal // Opt. Express. 2007. Vol. 15, № 20. P. 13212.

43. Guo Q. et al. Observation of ultra-broadband terahertz emission from ZnTe films grown by metaloganic vapor epitaxy // Solid State Commun. 2007. Vol. 141, № 4. P. 188-191.

44. Aoki K., Savolainen J., Havenith M. Broadband terahertz pulse generation by optical rectification in GaP crystals // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 110, № 20.

45. Ding Y.J., Shi W. Efficient THz generation and frequency upconversion in GaP crystals // Solid. State. Electron. 2006. Vol. 50, № 6. P. 1128-1136.

46. Wu X. et al. Generation of 13.9-mJ Terahertz Radiation from Lithium Niobate Materials // Adv. Mater. 2023. Vol. 35, № 23.

47. Stepanov A.G., Hebling J., Kuhl J. THz generation via optical rectification with ultrashort laser pulse focused to a line // Appl. Phys. B. 2005. Vol. 81, № 1. P. 23-26.

48. Novelli F., Guchhait B., Havenith M. Towards Intense THz Spectroscopy on Water: Characterization of Optical Rectification by GaP, OH1, and DSTMS at OPA Wavelengths // Materials (Basel). 2020. Vol. 13, № 6. P. 1311.

49. Shalaby M., Hauri C.P. Demonstration of a low-frequency three-dimensional terahertz bullet with extreme brightness // Nat. Commun. 2015. Vol. 6, № 1. P. 5976.

50. Gollner C. et al. Highly efficient THz generation by optical rectification of mid-IR pulses in DAST // APL Photonics. 2021. Vol. 6, № 4. P. 046105.

51. Han P.Y. et al. Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications // Opt. Lett. 2000. Vol. 25, № 9. P. 675.

52. Schneider A., Biaggio I., Günter P. Optimized generation of THz pulses via optical rectification in the organic salt DAST // Opt. Commun. 2003. Vol. 224, № 4-6. P. 337-341.

53. Rouzegar R. et al. Broadband Spintronic Terahertz Source with Peak Electric Fields Exceeding 1.5 MV/cm // Phys. Rev. Appl. 2023. Vol. 19, № 3. P. 034018.

54. Seifert T. et al. Ultrabroadband single-cycle terahertz pulses with peak fields of 300 kV cm-1 from a metallic spintronic emitter // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 110, № 25.

55. Kolejak P. et al. 360° Polarization Control of Terahertz Spintronic Emitters Using Uniaxial FeCo/TbCo2/FeCo Trilayers // ACS Photonics. 2022. Vol. 9, № 4. P. 1274-1285.

56. E Y. et al. Broadband THz Sources from Gases to Liquids // Ultrafast Sci. 2021. Vol. 2021.

57. Jin Q. et al. Observation of broadband terahertz wave generation from liquid water // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 111, № 7.

58. E Y. et al. Progress, challenges, and opportunities of terahertz emission from liquids // J. Opt. Soc. Am. B. 2022. Vol. 39, № 3. P. A43.

59. Lewis R.A. A review of terahertz detectors // J. Phys. D. Appl. Phys. 2019. Vol. 52, № 43. P. 433001.

60. Yardimci N.T., Jarrahi M. Nanostructure-Enhanced Photoconductive Terahertz Emission and Detection // Small. 2018. Vol. 14, № 44. P. 1802437.

61. Brunken M. et al. Electro-optic sampling at the TESLA test accelerator: experimental setup and first results // TESLA Rep. 2003. Vol. 11.

62. Chekhov A.L. et al. Broadband Spintronic Detection of the Absolute Field Strength of Terahertz Electromagnetic Pulses // Phys. Rev. Appl. 2023. Vol. 20, № 3. P. 034037.

63. Zhang X.-C., Xu J. Introduction to THz Wave Photonics. Boston, MA:

125

Springer US, 2010.

64. Pettine J. et al. Ultrafast terahertz emission from emerging symmetry-broken materials // Light Sci. Appl. 2023. Vol. 12, № 1. P. 133.

65. Hewett S.M. et al. Spintronic terahertz emitters exploiting uniaxial magnetic anisotropy for field-free emission and polarization control // Appl. Phys. Lett. 2022. Vol. 120, № 12. P. 122401.

66. GaAs - Gallium Arsenide [Электронный ресурс]: URL: https://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaAs/ (дата обращения: 18.09.2024, 17:05) [Electronic resource].

67. Hark Hoe Tan et al. Ion-implanted GaAs for subpicosecond optoelectronic applications // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 1996. Vol. 2, № 3. P. 636642.

68. Kadow C. et al. Self-assembled ErAs islands in GaAs for THz applications // Phys. E Low-dimensional Syst. Nanostructures. 2000. Vol. 7, № 1-2. P. 97100.

69. GaxIn1-xAs [Электронный ресурс]: URL: https://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaInAs/ (дата обращения: 18.09.2024, 17:10) [Electronic resource].

70. Tian L. et al. Thermal characteristic of dark resistivity of InGaAs photoconductive semiconductor switches // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2019. Vol. 30, № 16. P. 15339-15344.

71. Takazato A. et al. Detection of terahertz waves using low-temperature-grown InGaAs with 1.56^m pulse excitation // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90, № 10. P. 101119.

72. Carmody C. et al. Ion-implanted In0.53Ga0.47As for ultrafast optoelectronic applications // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82, № 22. P. 3913-3915.

73. Chimot N. et al. Terahertz radiation from heavy-ion-irradiated In0.53Ga0.47As photoconductive antenna excited at 1.55^m // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87, № 19. P. 193510.

74. Ospald F. et al. 1.55 ^m ultrafast photoconductive switches based on

126

ErAs:InGaAs // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 92, № 13. P. 131117.

75. Driscoll D.C. et al. Ultrafast photoresponse at 1.55 ^m in InGaAs with embedded semimetallic ErAs nanoparticles // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 86, № 5. P. 051908.

76. Kostakis I., Saeedkia D., Missous M. Terahertz Generation and Detection Using Low Temperature Grown InGaAs-InAlAs Photoconductive Antennas at

1.55 um Pulse Excitation // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2012. Vol. 2, № 6. P. 617-622.

77. Ponomarev D.S. et al. Enhanced terahertz emission from strain-induced InGaAs/InAlAs superlattices // J. Appl. Phys. 2019. Vol. 125, № 15. P. 151605.

78. Галиев Г.Б. et al. Генерация и детектирование терагерцевого излучения в низкотемпературных эпитаксиальных пленках GaAs на подложках GaAs с ориентациями (100) и (111)A // Журнал технической физики. 2017. Vol. 51, № 4. P. 529.

79. Chimot N. et al. Terahertz radiation generated and detected by Br+-irradiated In0.53Ga0.47As photoconductive antenna excited at 800 nm wavelength // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89, № 8. P. 083519.

80. Ponomarev D.S. et al. Intensive Terahertz Radiation from InxGa1-xAs due to Photo-Dember Effect // Int. J. High Speed Electron. Syst. 2016. Vol. 25, № 03n04. P.1640023.

81. Alfaro-Gomez M., Castro-Camus E. The role of bandgap energy excess in surface emission of terahertz radiation from semiconductors // Appl. Phys. Lett. IEEE, 2017. Vol. 110, № 4. P. 042101.

82. Takazato A. et al. Terahertz wave emission and detection using photoconductive antennas made on low-temperature-grown InGaAs with

1.56 ^m pulse excitation // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 91, № 1. P. 011102.

83. Globisch B. et al. Iron doped InGaAs: Competitive THz emitters and detectors fabricated from the same photoconductor // J. Appl. Phys. 2017. Vol. 121, № 5. P. 053102.

84. Suzuki M., Tonouchi M. Fe-implanted InGaAs terahertz emitters for 1.56 ^m wavelength excitation // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 86, № 5. P. 051104.

85. Kostakis I., Saeedkia D., Missous M. Characterization of low temperature InGaAs-InAlAs semiconductor photo mixers at 1.55 ^m wavelength illumination for terahertz generation and detection // J. Appl. Phys. 2012. Vol. 111, № 10. P. 103105.

86. Fiber-coupled Photoconductive Antennas [Электронный ресурс] : Интернет-сайт компании Menlosystems. URL: https://www.menlosystems.com/products/thz-antennas-and-components/tera15-fc-2/ (дата обращения: 23.04.2024, 21:30) [Electronic resource].

87. Roura P. et al. Determination of the direct band-gap energy of InAlAs matched to InP by photoluminescence excitation spectroscopy // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 81, № 10. P. 6916-6920.

88. Лаврухин Д.В. et al. Плазмонные фотопроводящие антенны для систем терагерцовой импульсной спектроскопии и визуализации // Журнал технической физики. 2019. Vol. 126, № 5. P. 663.

89. Roehle H. et al. Next generation 15 цт terahertz antennas: mesa-structuring of InGaAs/InAlAs photoconductive layers // Opt. Express. 2010. Vol. 18, № 3. P. 2296.

90. Novoselov K.S. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science (80-. ). 2004. Vol. 306, № 5696. P. 666-669.

91. Bahk Y.-M. et al. Plasmon Enhanced Terahertz Emission from Single Layer Graphene // ACS Nano. 2014. Vol. 8, № 9. P. 9089-9096.

92. Maysonnave J. et al. Terahertz Generation by Dynamical Photon Drag Effect in Graphene Excited by Femtosecond Optical Pulses // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 10. P. 5797-5802.

93. Wang L. et al. One-Dimensional Electrical Contact to a Two-Dimensional Material // Science (80-. ). 2013. Vol. 342, № 6158. P. 614-617.

94. Nair R.R. et al. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of

128

Graphene // Science (80-. ). 2008. Vol. 320, № 5881. P. 1308-1308.

95. Xu X. et al. Interfacial engineering in graphene bandgap // Chem. Soc. Rev. 2018. Vol. 47, № 9. P. 3059-3099.

96. Mak K.F. et al. Atomically Thin MoS2: A New Direct-Gap Semiconductor // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 105, № 13. P. 136805.

97. Wang Q.H. et al. Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides // Nat. Nanotechnol. 2012. Vol. 7, № 11. P. 699-712.

98. Iqbal M.W. et al. Chemical doping of transition metal dichalcogenides (TMDCs) based field effect transistors: A review // Superlattices Microstruct. 2020. Vol. 137. P. 106350.

99. Rogalski A. Graphene-based materials in the infrared and terahertz detector families: a tutorial // Adv. Opt. Photonics. 2019. Vol. 11, № 2. P. 314.

100. Li S.-L. et al. Charge transport and mobility engineering in two-dimensional transition metal chalcogenide semiconductors // Chem. Soc. Rev. 2016. Vol. 45, № 1. P. 118-151.

101. Liu Y. et al. Two-dimensional transistors beyond graphene and TMDCs // Chem. Soc. Rev. 2018. Vol. 47, № 16. P. 6388-6409.

102. Docherty C.J. et al. Ultrafast Transient Terahertz Conductivity of Monolayer MoS2 and WSe2 Grown by Chemical Vapor Deposition // ACS Nano. 2014. Vol. 8, № 11. P. 11147-11153.

103. Liu H. et al. Terahertz photodetector arrays based on a large scale MoSe2 monolayer // J. Mater. Chem. C. 2016. Vol. 4, № 40. P. 9399-9404.

104. Wang J. et al. Tunable 2H-TaSe2 room-temperature terahertz photodetector // Chinese Phys. B. 2019. Vol. 28, № 4. P. 046802.

105. Huang Y. et al. Surface Optical Rectification from Layered MoS2 Crystal by THz Time-Domain Surface Emission Spectroscopy // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. Vol. 9, № 5. P. 4956-4965.

106. Si K. et al. Terahertz surface emission from layered semiconductor WSe2 // Appl. Surf. Sci. 2018. Vol. 448. P. 416-423.

107. Zhang L. et al. Terahertz surface emission of d-band electrons from a layered

129

tungsten disulfide crystal by the surface field // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96, № 15. P. 155202.

108. Lei Z. et al. Terahertz emission from in-plane and out-of-plane dipoles in layered SnS2 crystal // Appl. Phys. Lett. 2020. Vol. 116, № 16.

109. Fan Z. et al. Terahertz Surface Emission from MoSe2 at the Monolayer Limit // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. Vol. 12, № 42. P. 48161-48169.

110. Buryakov A.M., Gorbatova A. V., Khusyainov D.I. The generation of THz radiation in layered transition metal dichalcogenides. 2021. P. 020002.

111. Gorbatova A. V., Khusyainov D.I., Buryakov A.M. Generation of the THz radiation in Mo0.5W0.5S2 solid solution. 2021. P. 020009.

112. Zhang L. et al. Polarized THz Emission from In-Plane Dipoles in Monolayer Tungsten Disulfide by Linear and Circular Optical Rectification // Adv. Opt. Mater. 2019. Vol. 7, № 6.

113. Liu W. et al. Role of Metal Contacts in Designing High-Performance Monolayer n-Type WSe2 Field Effect Transistors // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 5. P. 1983-1990.

114. Fang H. et al. High-Performance Single Layered WSe2 p-FETs with Chemically Doped Contacts // Nano Lett. 2012. Vol. 12, № 7. P. 3788-3792.

115. Kumar A., Ahluwalia P.K. Electronic structure of transition metal dichalcogenides monolayers 1H-MX2 (M = Mo, W; X = S, Se, Te) from ab-initio theory: new direct band gap semiconductors // Eur. Phys. J. B. 2012. Vol. 85, № 6. P. 186.

116. Glinskiy I.A., Khabibullin R.A., Ponomarev D.S. Total Efficiency of the Optical-to-Terahertz Conversion in Photoconductive Antennas Based on LT-GaAs and In0.38Ga0.62As // Russ. Microelectron. 2017. Vol. 46, № 6. P. 408413.

117. Miyamaru F. et al. Dependence of emission of terahertz radiation on geometrical parameters of dipole photoconductive antennas // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96, № 21. P. 211104.

118. Alias N.B., Awang A.H. Physical parametric analysis of Terahertz

130

Photoconductive bow-tie dipole Antenna on frequency and radiation pattern using electromagnetic simulation tools // 2016 IEEE Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics (APACE). IEEE, 2016. P. 263-267.

119. Semenov A.D. et al. Terahertz Performance of Integrated Lens Antennas With a Hot-Electron Bolometer // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2007. Vol. 55, № 2. P. 239-247.

120. Miao W. et al. Simulation of an integrated log-spiral antenna at terahertz // 2008 8th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory. IEEE, 2008. P. 58-61.

121. Berry C.W., Hashemi M.R., Jarrahi M. Generation of high power pulsed terahertz radiation using a plasmonic photoconductive emitter array with logarithmic spiral antennas // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104, № 8. P. 081122.

122. Yardimci N.T. et al. High-Power Terahertz Generation Using Large-Area Plasmonic Photoconductive Emitters // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2015. Vol. 5, № 2. P. 223-229.

123. Jarrahi M. High-efficiency terahertz sources based on plasmonic contact electrodes // 2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, IMS 2015. IEEE, 2015. P. 1-4.

124. Yardimci N.T., Jarrahi M. High Sensitivity Terahertz Detection through Large-Area Plasmonic Nano-Antenna Arrays // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, № 1. P. 42667.

125. Yang S.-H. et al. 7.5% Optical-to-Terahertz Conversion Efficiency Offered by Photoconductive Emitters With Three-Dimensional Plasmonic Contact Electrodes // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2014. Vol. 4, № 5. P. 575581.

126. Rouzegar R. et al. Laser-induced terahertz spin transport in magnetic nanostructures arises from the same force as ultrafast demagnetization // Phys. Rev. B. 2022. Vol. 106, № 14. P. 144427.

127. Beaurepaire E. et al. Ultrafast Spin Dynamics in Ferromagnetic Nickel // Phys.

131

Rev. Lett. 1996. Vol. 76, № 22. P. 4250-4253.

128. Seifert T.S. Spintronics with Terahertz Radiation: Probing and driving spins at highest frequencies. 2017. 185 p.

129. Wang H.L. et al. Large spin pumping from epitaxial Y3Fe5O12 thin films to Pt and W layers // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88, № 10. P. 100406.

130. Agarwal P. et al. Interfacial Spintronic THz Emission // Adv. Opt. Mater. 2024. Vol. 12, № 22.

131. Zhao Y. et al. Quantifying Spin-Charge Conversion Mechanisms for THz Emission in Magnetic Multilayers // Adv. Opt. Mater. 2024. Vol. 12, № 14.

132. Ham W.S. et al. Bulk Rashba-Type Spin Splitting in Non-Centrosymmetric Artificial Superlattices // Adv. Sci. 2023. Vol. 10, № 12.

133. Zhou C. et al. Broadband Terahertz Generation via the Interface Inverse Rashba-Edelstein Effect // Phys. Rev. Lett. 2018. Vol. 121, № 8. P. 086801.

134. Jungfleisch M.B. et al. Control of Terahertz Emission by Ultrafast SpinCharge Current Conversion at Rashba Interfaces // Phys. Rev. Lett. 2018. Vol. 120, № 20. P. 207207.

135. Comstock A. et al. Spintronic Terahertz Emission in Ultrawide Bandgap Semiconductor/Ferromagnet Heterostructures // Adv. Opt. Mater. 2023. Vol. 11, № 1.

136. Cong K. et al. Coherent control of asymmetric spintronic terahertz emission from two-dimensional hybrid metal halides // Nat. Commun. 2021. Vol. 12, № 1. P. 5744.

137. Rongione E. et al. Ultrafast Spin-Charge Conversion at SnBi2Te4/Co Topological Insulator Interfaces Probed by Terahertz Emission Spectroscopy // Adv. Opt. Mater. 2022. Vol. 10, № 7.

138. Zhang Q. et al. Terahertz Emission From an Exchange-Coupled Synthetic Antiferromagnet // Phys. Rev. Appl. 2020. Vol. 13, № 5. P. 054016.

139. Sasaki Y., Suzuki K.Z., Mizukami S. Annealing effect on laser pulse-induced THz wave emission in Ta/CoFeB/MgO films // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 111, № 10.

140. Li G. et al. THz emission from Co/Pt bilayers with varied roughness, crystal structure, and interface intermixing // Phys. Rev. Mater. 2019. Vol. 3, № 8. P. 084415.

141. Nenno D.M. et al. Modification of spintronic terahertz emitter performance through defect engineering // Sci. Rep. 2019. Vol. 9, № 1. P. 13348.

142. Feng Z. et al. Highly Efficient Spintronic Terahertz Emitter Enabled by Metal-Dielectric Photonic Crystal // Adv. Opt. Mater. 2018. Vol. 6, № 23.

143. Jin Z. et al. Cascaded Amplification and Manipulation of Terahertz Emission by Flexible Spintronic Heterostructures // Laser Photon. Rev. 2022. Vol. 16, № 9.

144. Chen M. et al. Current-Enhanced Broadband THz Emission from Spintronic Devices // Adv. Opt. Mater. 2018. P. 1801608.

145. Nandi U. et al. Antenna-coupled spintronic terahertz emitters driven by a 1550 nm femtosecond laser oscillator // Appl. Phys. Lett. 2019. Vol. 115, № 2.

146. Rathje C. et al. Emission Properties of Structured Spintronic Terahertz Emitters // 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). IEEE, 2019. P. 1-2.

147. Liu S. et al. Nanoplasmonic-Enhanced Spintronic Terahertz Emission (Adv. Mater. Interfaces 2/2022) // Adv. Mater. Interfaces. 2022. Vol. 9, № 2.

148. Song B. et al. Controlling terahertz radiation with subwavelength blocky patterned CoFeB/Pt heterostructures // Appl. Phys. Express. 2019. Vol. 12, № 12. P.122003.

149. Herapath R.I. et al. Impact of pump wavelength on terahertz emission of a cavity-enhanced spintronic trilayer // Appl. Phys. Lett. 2019. Vol. 114, № 4.

150. Kong D. et al. Broadband Spintronic Terahertz Emitter with Magnetic-Field Manipulated Polarizations // Adv. Opt. Mater. 2019. Vol. 7, № 20.

151. Agarwal P. et al. Electric-field control of nonlinear THz spintronic emitters // Nat. Commun. 2022. Vol. 13, № 1. P. 4072.

152. Qiu H. et al. Magnetically and electrically polarization-tunable THz emitter

with integrated ferromagnetic heterostructure and large-birefringence liquid

133

crystal // Appl. Phys. Express. 2018. Vol. 11, № 9. P. 092101.

153. Yang D. et al. Powerful and Tunable THz Emitters Based on the Fe/Pt Magnetic Heterostructure // Adv. Opt. Mater. 2016. Vol. 4, № 12. P. 19441949.

154. Fix M. et al. Spin valves as magnetically switchable spintronic THz emitters // Appl. Phys. Lett. 2020. Vol. 117, № 13.

155. Ogasawara Y. et al. Laser-induced terahertz emission from layered synthetic magnets // Appl. Phys. Express. 2020. Vol. 13, № 6. P. 063001.

156. Nogues J. et al. Exchange bias in ferromagnetic nanoparticles embedded in an antiferromagnetic matrix // Int. J. Nanotechnol. 2005. Vol. 2, № 1/2. P. 23.

157. Stamps R.L. Mechanisms for exchange bias // J. Phys. D. Appl. Phys. 2000. Vol. 33, № 23. P. R247-R268.

158. Meiklejohn W.H., Bean C.P. New Magnetic Anisotropy // Phys. Rev. 1956. Vol. 102, № 5. P. 1413-1414.

159. Zhang W. et al. Spin Hall Effects in Metallic Antiferromagnets // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113, № 19. P. 196602.

160. Qiu H. et al. Ultrafast spin current generated from an antiferromagnet // Nat. Phys. 2021. Vol. 17, № 3. P. 388-394.

161. Ju G. et al. Ultrafast optical modulation of an exchange biased ferromagnetic/antiferromagnetic bilayer // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 58, № 18. P. R11857-R11860.

162. Ju G. et al. Ultrafast Time Resolved Photoinduced Magnetization Rotation in a Ferromagnetic/Antiferromagnetic Exchange Coupled System // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82, № 18. P. 3705-3708.

163. Ju G. et al. Coherent magnetization rotation induced by optical modulation in ferromagnetic/antiferromagnetic exchange-coupled bilayers // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62, № 2. P. 1171-1177.

164. Weber M.C., Nembach H., Fassbender J. Picosecond optical control of the magnetization in exchange biased NiFe/FeMn bilayers // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 95, № 11. P. 6613-6615.

165. Seu K.A., Reilly A.C. Ultrafast laser excitation of spin waves and the permanent modification of the exchange bias interaction in IrMnCo // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 103, № 7.

166. Dalla Longa F. et al. Resolving the genuine laser-induced ultrafast dynamics of exchange interaction in ferromagnet/antiferromagnet bilayers // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 81, № 9. P. 094435.

167. Zainullin F.A. et al. Polarization analysis of THz radiation using a wire grid polarizer and ZnTe crystal // Russ. Technol. J. 2022. Vol. 10, № 3. P. 74-84.

168. Querry M.R. Optical constants. // MISSOURI UNIV-KANSAS CITY. 1985.

169. Yakubovsky D.I. et al. Optical constants and structural properties of thin gold films // Opt. Express. 2017. Vol. 25, № 21. P. 25574.

170. Palm K.J. et al. Dynamic Optical Properties of Metal Hydrides // ACS Photonics. 2018. Vol. 5, № 11. P. 4677-4686.

171. Adachi S. Optical dispersion relations for GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, AlxGa1- xAs, and Im- xGaxAsyPb y // J. Appl. Phys. 1989. Vol. 66, № 12. P. 6030-6040.

172. CVD Grown WSe2 film -10mm*10mm [Электронный ресурс]: Интернет-сайт компании 6Carbon Technology (ShenZhen). - URL: https://2d-material.com/cvd-grown-wse2-film-10mm-10mm/ (дата обращения: 19.09.2024, 16:25) [Electronic resource].

173. Müller M.R. et al. Visibility of two-dimensional layered materials on various substrates // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 118, № 14. P. 145305.

174. Sahin H. et al. Anomalous Raman spectra and thickness-dependent electronic properties of WSe2 // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 87, № 16. P. 165409.

175. Bikorimana S. et al. Nonlinear optical responses in two-dimensional transition metal dichalcogenide multilayer: WS2, WSe2, MoS2 and Mo0.5W0.5S2 // Opt. Express. 2016. Vol. 24, № 18. P. 20685.

176. Ribeiro-Soares J. et al. Group theory analysis of phonons in two-dimensional transition metal dichalcogenides // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 90, № 11. P. 115438.

177. Schubert E. F. Refractive index and extinction coefficient of materials // Refract. index extinction Coeff. Mater. 2004. P. 1-273.

178. Beal A.R., Liang W.Y., Hughes H.P. Kramers-Kronig analysis of the reflectivity spectra of 3R-WS2 and 2H-WSe2 // J. Phys. C Solid State Phys. 1976. Vol. 9. P. 2449.

179. Брехов К.А. et al. Генерация второй оптической гармоники и ее фотоиндуцированная динамика в сегнетоэлектрике-полупроводнике SmP2Sô // Физика твердого тела. 2018. Vol. 60, № 1. P. 33.

180. Boyd R.W. The Nonlinear Optical Susceptibility // Nonlinear Optics. Elsevier, 2008. P. 1-67.

181. Stehle Y. et al. Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Monolayer: Control of Nucleation and Crystal Morphology // Chem. Mater. 2015. Vol. 27, № 23. P. 8041-8047.

182. Ghasemi F. et al. High Throughput Characterization of Epitaxially Grown Single-Layer MoS2 // Electronics. 2017. Vol. 6, № 2. P. 28.

183. Peters L. et al. High-energy terahertz surface optical rectification // Nano Energy. 2018. Vol. 46. P. 128-132.

184. Arosa Y., de la Fuente R. Refractive index spectroscopy and material dispersion in fused silica glass // Opt. Lett. 2020. Vol. 45, № 15. P. 4268.

185. Ermolaev G.A. et al. Spectroscopic ellipsometry of large area monolayer WS2 and WSe2 films. 2021. P. 020005.

186. Schinke C. et al. Uncertainty analysis for the coefficient of band-to-band absorption of crystalline silicon // AIP Adv. 2015. Vol. 5, № 6.

187. Kudryavtsev A. V. et al. Second harmonic generation in nanoscale films of transition metal dichalcogenide: Accounting for multipath interference // AIP Adv. 2016. Vol. 6, № 9. P. 095306.

188. Лавров С.Д. et al. Генерация второй гармоники в наноразмерных пленках дихалькогенидов переходных металлов: учет многолучевой интерференции // Оптика и спектроскопия. 2016. Vol. 120, № 5. P. 860866.

189. Zhang H. et al. Interference effect on optical signals of monolayer M0S2 // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107, № 10. P. 101904.

190. Hou J. et al. Modulating Photoluminescence of Monolayer Molybdenum Disulfide by Metal-Insulator Phase Transition in Active Substrates // Small. 2016. Vol. 12, № 29. P. 3976-3984.

191. Vinai G. et al. Enhanced blocking temperature in (Pt/Co)3/IrMn/Co and (Pd/Co)3/IrMn/Co trilayers with ultrathin IrMn layer // J. Phys. D. Appl. Phys. 2013. Vol. 46, № 32. P. 322001.

192. Torosyan G. et al. Optimized Spintronic Terahertz Emitters Based on Epitaxial Grown Fe/Pt Layer Structures // Sci. Rep. 2018. Vol. 8, № 1. P. 1311.

193. Rodríguez-de Marcos L. V. et al. Self-consistent optical constants of SiO2 and Ta2Os films // Opt. Mater. Express. 2016. Vol. 6, № 11. P. 3622.

194. Carey R. et al. Optical, magneto-optical and related properties for Pt and Co multi-layer structures // J. Magn. Soc. Japan. 1991. Vol. 15, № S_1_MORIS_91. P. S1_25-28.

195. Sarkar S. et al. Hybridized Guided-Mode Resonances via Colloidal Plasmonic Self-Assembled Grating // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. Vol. 11, № 14. P. 13752-13760.

196. Rodríguez-de Marcos L. V. et al. Self-consistent optical constants of MgF2, LaF3, and CeF3 films // Opt. Mater. Express. 2017. Vol. 7, № 3. P. 989.

197. Stephens R.E., Malitson I.H. Index of refraction of magnesium oxide // J. Res. Natl. Bur. Stand. (1934). 1952. Vol. 49, № 4. P. 249.

198. Boidin R. et al. Pulsed laser deposited alumina thin films // Ceram. Int. 2016. Vol. 42, № 1. P. 1177-1182.

199. Bright T.J. et al. Optical properties of HfO2 thin films deposited by magnetron sputtering: From the visible to the far-infrared // Thin Solid Films. 2012. Vol. 520, № 22. P. 6793-6802.

200. Luke K. et al. Broadband mid-infrared frequency comb generation in a Si3N4 microresonator // Opt. Lett. 2015. Vol. 40, № 21. P. 4823.

201. Bright T.J. et al. Infrared optical properties of amorphous and nanocrystalline

137

TaiOs thin films // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 114, № 8.

202. Chen M. et al. Terahertz Emission from Compensated Magnetic Heterostructures // Adv. Opt. Mater. 2018. Vol. 6, № 17.

203. Cheng L. et al. Far out-of-equilibrium spin populations trigger giant spin injection into atomically thin MoS2 // Nat. Phys. 2019. Vol. 15, № 4. P. 347351.

204. Zhang W. et al. Ultrafast terahertz magnetometry // Nat. Commun. 2020. Vol. 11, № 1. P. 4247.

205. Papusoi C. et al. Probing fast heating in magnetic tunnel junction structures with exchange bias // New J. Phys. 2008. Vol. 10, № 10. P. 103006.

206. Ali M. et al. Antiferromagnetic layer thickness dependence of the IrMn/Co exchange-bias system // Phys. Rev. B. 2003. Vol. 68, № 21. P. 214420.

207. Gladii O. et al. Unraveling the influence of electronic and magnonic spin-current injection near the magnetic ordering transition of IrMn metallic antiferromagnets // Phys. Rev. B. 2018. Vol. 98, № 9. P. 094422.