太赫茲（THz）波在電磁波譜中介于微波與紅外波譜之間，振蕩頻率每秒1000億~30萬億次周期。太赫茲波因其獨特的特性而備受贊譽：它們可以穿透紙張、衣服、木材和墻壁，還能探測空氣污染。太赫茲輻射源有望革新安全和醫(yī)療成像系統(tǒng)。更重要的是，太赫茲波還具有攜帶大量數(shù)據(jù)的能力，這可能成為實現(xiàn)更快無線通信的關(guān)鍵。

太赫茲波是一種非電離輻射，這意味著它們不會對人類健康造成威脅。這項技術(shù)已應(yīng)用在某些機場來掃描乘客和探測危險目標(biāo)與化學(xué)物質(zhì)。

盡管太赫茲波有著巨大的發(fā)展前景，但由于其制造成本高、工藝繁瑣，目前還未得到廣泛應(yīng)用。據(jù)麥姆斯咨詢報道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員開發(fā)的一項新技術(shù)有望改變這一切。由Elison Matioli教授領(lǐng)導(dǎo)的功率與寬帶隙電子研究實驗室（POWERlab）的研究團隊，構(gòu)建出一種可在幾皮秒（1皮秒 = 1萬億分之一秒）內(nèi)產(chǎn)生極高功率信號的納米器件，從而產(chǎn)生高功率的太赫茲波。

納米級太赫茲輻射源可在柔性襯底上實現(xiàn)

這項技術(shù)可用于芯片或柔性介質(zhì)上，未來還可能集成在智能手機和其他手持設(shè)備上。本研究的第一作者為POWERlab的Mohammad Samizadeh Nikoo博士，研究成果發(fā)表于Nature雜志，文章鏈接為：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2118-y。

太赫茲納米器件的工作原理

這種結(jié)構(gòu)緊湊、價格經(jīng)濟的全電子納米器件可在極短時間內(nèi)從微小的輻射源中產(chǎn)生高強度的波。其工作原理是產(chǎn)生強大的“火花”，電壓可在1皮秒內(nèi)從10V（或更低）上升到100V。該器件幾乎可連續(xù)不斷地產(chǎn)生這種“火花”，這意味著該器件每秒可發(fā)射多達5000萬次信號。當(dāng)與天線相連接時，該系統(tǒng)可產(chǎn)生并發(fā)射高功率太赫茲波。

納米等離子體開關(guān)的基礎(chǔ)原理

該器件由兩塊距離很近的金屬板組成，相距僅有20納米。當(dāng)施加電壓時，電子向其中一個極板沖擊，并在那里形成納米等離子體。一旦電壓達到一定閾值，電子幾乎立即被發(fā)射到另一塊極板上。利用如此快速開關(guān)實現(xiàn)的快速運動可創(chuàng)造產(chǎn)生高頻波的高強度脈沖。

傳統(tǒng)電子器件只能以每皮秒1V的速度轉(zhuǎn)換，但該速度太慢了，無法產(chǎn)生高功率的太赫茲波。

這種新型納米器件可將速度提升十倍以上，可同時產(chǎn)生高能、高頻脈沖?！巴ǔＧ闆r下，無法同時獲得這兩個高值變量?！盡atioli教授認(rèn)為，“高頻半導(dǎo)體器件的尺寸在納米級，通常只能承受幾伏的電壓水平。同時，高功率器件尺寸過大且速度太慢，而無法產(chǎn)生太赫茲波。我們的解決方案是重新審視等離子體領(lǐng)域，利用最先進的納米級制造技術(shù)開發(fā)一種新器件來繞過這些限制。”

根據(jù)Matioli教授的解釋，這種新器件將所有變量都發(fā)揮到了極致：“以往高頻、高功率和納米級尺寸這三種術(shù)語通常不會出現(xiàn)在同一情景中?！?

“這些納米器件一方面帶來了極高的簡單性和低成本，另一方面還表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。此外，它們還可與晶體管等其他電子器件集成。憑借這些獨特的性質(zhì)，納米等離子體可為超快電子領(lǐng)域塑造一個與眾不同的未來?！盨amizadeh表示。

這項技術(shù)除了可產(chǎn)生太赫茲波外，還有廣泛應(yīng)用。“我們非常確定未來會有更多的創(chuàng)新應(yīng)用?！盡atioli教授補充。