CN116560115A - 基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片，及其制备方法 - Google Patents
基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片，及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片，及其制备方法。该基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片包括：绝缘衬底，其在光激发后不产生载流子且太赫兹波可透过；碲纳米线薄膜，形成于绝缘衬底上。相比于其他光控太赫兹波调制薄膜，例如MoTe2薄膜，本发明碲纳米线薄膜在较低的泵浦激光功率下，能够实现宽带调制，调制深度大、灵敏度高；同时制备成本低精度高，更适合于大规模工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片，及其制备方法。
背景技术
太赫兹(THz)波具有宽带、低光子能量和指纹特征，在无线通信、成像、生物医学等领域有着广泛的应用。然而，缺乏优秀的光电器件在一定程度上限制了太赫兹波技术的发展。二维(2-Dimension，简称2D)材料具有独特的物理特性，如可调谐的能带结构、原子薄膜的厚度、强光与物质的相互作用、快速的载流子复合等，为研究基础物理和重要器件概念中的光与物质相互作用提供了一个有趣的平台。
在实现本发明的过程中，申请人发现：现有技术的光控太赫兹波调制芯片有较高的调制深度但调制速率较为缓慢，从而影响其在光电器件中的发展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明期望至少部分解决上述技术问题中的其中之一。
(二)技术方案
本发明的第一个方面中，提供了一种基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片，包括：绝缘衬底，其在光激发后不产生载流子且太赫兹波可透过；碲纳米线薄膜，形成于绝缘衬底上。
在本发明的一些实施例中，碲纳米线薄膜的厚度介于1nm～200nm之间，其中，碲纳米线的长度介于100nm～5000nm之间。
在本发明的一些实施例中，还包括：碲纳米薄膜，形成于绝缘衬底上，其厚度介于1nm～1000nm之间；其中，碲纳米线薄膜形成于碲纳米薄膜之上。
在本发明的一些实施例中，碲纳米薄膜的厚度1nm～200nm之间。
在本发明的一些实施例中，绝缘衬底为：石英衬底或蓝宝石衬底。
本发明的第二个方面中，提供了一种如上光控太赫兹波调制芯片的制备方法包括：
步骤A，准备绝缘衬底；
步骤C，在绝缘衬底上形成碲纳米线薄膜。
在本发明的一些实施例中，步骤C包括：子步骤C1，制备碲纳米线溶液；子步骤C2，将碲纳米线溶液滴涂在绝缘衬底上，待碲纳米线溶液的溶剂挥发完毕后，在绝缘衬底上形成碲纳米线薄膜。
在本发明的一些实施例中，子步骤C1中，采用电沉积法制备碲纳米线溶液，包括：配置含有TeO2和KOH的溶液作为电解液，在电化学工作站中采用三电极体系进行制备：工作电极为铜片，对电极为铂片，参比电极为Hg/HgO电极，在过电位为-1.8V、温度为85℃条件下进行沉积。待反应完全后，静置，加入酸性溶液中和，再用去离子水清洗，得到含有碲纳米线溶液；或
在本发明的一些实施例中，子步骤C1中，采用Al箔置换法制备碲纳米线溶液，包括：在室温条件下，将Al箔放入含有TeO2和KOH的溶液中发生置换反应。待反应完全后，静置，加入酸性溶液中和，再用去离子水清洗，得到碲纳米线溶液。
在本发明的一些实施例中，还包括：步骤B，在绝缘衬底上形成碲纳米薄膜；步骤C包括：在碲纳米薄膜上形成碲纳米线薄膜。
在本发明的一些实施例中，步骤B中，采用磁控溅射或电子束蒸镀来在绝缘衬底上形成碲纳米薄膜。
(三)有益效果
从上述技术方案可知，本发明相对于现有技术至少具有以下有益效果之一：
(1)由于碲材料具有独特的螺旋链结构，在室温下产生高载流子迁移率，还具备窄带隙、强光学响应、环境稳定性等优良性能，产生强的光吸收和超快的电荷载流子输运，能够产生强的光吸收和超快的电荷载流子输运。
因此，相比于其他光控太赫兹波调制薄膜，例如MoTe2薄膜，碲纳米线薄膜在较低的泵浦激光功率下，能够实现宽带调制，调制深度大、灵敏度高；同时制备成本低精度高，更适合于大规模工业生产。
(2)混合维光控太赫兹波调制芯片包括：两个不同维度的碲薄膜。不同维度的碲单质实现的功能不同。1D碲纳米线在不同的制备方法下得到尺寸不同，可根据使用要求进行制备，有高度的灵活性。2D碲纳米膜其在工作频段为0.2THz-2.0THz的宽带太赫兹波段实现小功率的可激发阈值和在高功率下得到高调制的同时仍然保持超快特性，兼备调制速度快和调制深度大两个优势。
异质结存在一些不可忽视的缺点，如化学混合，晶界，晶格失配，和不连续的带状排列，这导致异质界面处存在大量的载流子散射和捕获中心，从而降低界面电荷转移效率，最终影响器件的整体性能。实验证明，在100mW下，碲纳米线/碲纳米膜混合维范德华同质结光控太赫兹波调制芯片的调制深度增强至94％，这表明不同维度的碲之间存在较强的层间耦合，同元素材料忽略晶格失配，进一步提升了光控太赫兹波调制芯片的性能。
(3)实验证明，本发明混合维光控太赫兹波调制系统实现了超高调制深度，同时调制速度保持在皮秒量级，尤其是碲纳米线/碲纳米膜在泵浦功率为100mW实现超高调制深度94％，同时调制速度在皮秒量级，也是目前太赫兹混合维范德华同质结全光调制器件中的最大调制。这意味着碲的混合维同质结可以有效地提高调制深度而保持快速的调制速度，实现器件多参量同时优化。
附图说明
图1A为本发明光控太赫兹波调制芯片第一实施例的剖面示意图。
图1B为制备图1所示光控太赫兹波调制芯片方法的流程图。
图2A和图2B分别为采用电沉积法和Al箔置换法制备碲纳米线溶液制备的光控太赫兹芯片的SEM图。
图3A和图3B分别为采用电沉积法和Al箔置换法制备碲纳米线溶液制备的光控太赫兹芯片的太赫兹峰值透射率的相对变化与泵浦脉冲和太赫兹脉冲之间的泵浦延迟时间的函数曲线。
图4A为本发明光控太赫兹波调制芯片第二实施例的剖面示意图。
图4B为制备图4A所示光控太赫兹波调制芯片方法的流程图。
图5为图4A所示光控太赫兹波调制芯片中碲纳米薄膜在泵浦波长为800nm不同功率的太赫兹峰值透射率的相对变化与泵浦和太赫兹脉冲之间的延迟时间的函数关系。
图6A和图6B分别为图4A所示光控太赫兹波调制芯片中碲纳米结构的拉曼光谱和XRD图谱。
图7为图4A所示光控太赫兹波调制芯片在不同调制功率情况下调制深度的实验曲线。
图8为图4A所示光控太赫兹波调制芯片的调制深度随泵浦功率变化的示意图。
图9为根据本发明光控太赫兹波调制系统实施例的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片，并在此基础上提供了一种包括碲的1D/2D混合维同质结的光控太赫兹波调制芯片，依赖于碲材料独特的光电特性，同时集成了1D的碲纳米线的高度灵活性和2D的碲纳米薄膜调制速度快和调制深度大两个优势，相比于其他光控太赫兹波调制芯片具有更大的优势。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文结合具体实施方式，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员应当理解，无论叙述顺序如何，本发明各个部分的技术内容在无相互冲突的情况是通用的，在一实施例中描述的技术特征同样可以应用于其他实施例中。
一、基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片
本发明首先提供了一种基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片。图1A为本发明光控太赫兹波调制芯片第一实施例的剖面示意图。如图1A所示，本实施例光控太赫兹波调制芯片包括：绝缘衬底11，其在光激发后不产生载流子且太赫兹波可透过；碲纳米线薄膜(TeNano-Wires，简称TeNW)13，形成于绝缘衬底上。
本实施例中，绝缘衬底11为双面抛光的石英衬底。采用石英材料作为宽带隙绝缘衬底，主要是利用石英的载流子不易被激发以及基于石英材料等加工手段更为成熟的优势，其在太赫兹波段透过率在60％～70％。本领域技术人员应当理解，除了石英基片之外，还可以采用蓝宝石晶片等其他类型的宽带隙绝缘衬底，只要在光激发后不产生载流子且在太赫兹波可透过。
本实施例中，碲纳米线薄膜13的厚度介于1nm～200nm之间，其中，碲纳米线的长度介于100nm～5000nm之间。
图1B为制备图1所示光控太赫兹波调制芯片方法的流程图。如图1B所示，该制备方法包括：
步骤A，准备绝缘衬底11；
本实施例中，采用双面抛光的石英衬底。
步骤C，制备碲纳米线溶液，将碲纳米线溶液滴涂在所述绝缘衬底上，待碲纳米线溶液的溶剂挥发完毕后，在绝缘衬底上形成碲纳米线薄膜13。
具体地，该步骤C进一步可以包括：
子步骤C1，制备碲纳米线溶液；
本发明中，给出两种制备碲纳米线溶液的方法。
(1)电沉积法
配置含有10mM TeO2和1M KOH的溶液作为电解液，在电化学工作站中采用三电极体系进行制备：工作电极为铜片，对电极为铂片，参比电极为Hg/HgO电极，在过电位为-1.8V、温度为85℃条件下进行沉积。待反应完全后，静置，加入HCl中和，再用去离子水清洗，即可得到含有长度为500nm～1000nm碲纳米线的溶液。
(2)Al箔置换法
在室温条件下，将Al箔放入含有10mM TeO2和1M KOH的溶液中发生置换反应。待反应完全后，静置，加入HCl溶液中和，再用去离子水清洗，即可得到含有长度为2000nm～2500nm碲纳米线的溶液。
在实际生产时，本领域技术人员可以选用以上两种方法其中之一，当然，也可以采用领域内其他已知的方法，此处不再赘述。
子步骤C2，采用滴涂法在石英衬底上形成碲纳米线薄膜；
将制备的碲纳米线溶液滴涂在石英衬底上，室温下静置40min形成黑色的碲纳米线薄膜层，具有结构稳定性和制备简便性。
图2A和图2B分别为采用电沉积法和Al箔置换法制备碲纳米线溶液制备的光控太赫兹芯片的扫描电子显微镜(SEM)图像。由图2A和图2B可以看出，在石英衬底的表面均形成了碲纳米线。采用电沉积法制备碲纳米线较为密集但长度较短，而采用Al箔置换法制备的碲纳米线较为稀疏但长度较长。
图3A和图3B分别为采用电沉积法和Al箔置换法制备碲纳米线溶液制备的光控太赫兹芯片的太赫兹峰值透射率的相对变化与泵浦脉冲和太赫兹脉冲之间的泵浦延迟时间的函数曲线。
图3A和图3B中，泵浦激光波长为800nm，函数关系定义为瞬态时间响应，由三个具有不同时间尺度的阶段组成。首先泵浦使太赫兹波峰值透过率在几皮秒内急速下降，起源于热电子的产生。之后，快速恢复过程大约几十皮秒，即电荷载流子冷却。随后，缓慢的恢复持续约几百皮秒，恢复到初始状态。对比发现Al箔置换法的碲纳米线载流子寿命较短，更适合制作超快器件。因此，在后续实施例中碲纳米线溶液采用Al箔置换法来制备。
本领域技术人员应当理解，由于碲材料具有独特的螺旋链结构，在室温下产生高载流子迁移率，还具备窄带隙、强光学响应、环境稳定性等优良性能，产生强的光吸收和超快的电荷载流子输运，能够产生强的光吸收和超快的电荷载流子输运。因此，相比于其他光控太赫兹波调制薄膜，例如MoTe2薄膜，碲纳米薄膜在较低的泵浦激光功率下，能够实现宽带调制，调制深度大、灵敏度高；同时制备成本低精度高，更适合于大规模工业生产。
二、混合维同质结的光控太赫兹波调制芯片
在以上实施例的基础上，本发明还提供了一种混合维光控太赫兹波调制芯片。图4A为本发明光控太赫兹波调制芯片第二实施例的剖面示意图。如图4A所示，本实施例光控太赫兹波调制芯片包括：绝缘衬底11，其在光激发后不产生载流子且太赫兹波可透过；碲纳米薄膜(Te Nano-Film，简称TeNF)12，形成于绝缘衬底上，其厚度介于1nm～1000nm之间；碲纳米线薄膜(Te Nano-Wires，简称TeNW)13，形成于碲纳米薄膜之上。
本实施例中，绝缘衬底11为双面抛光的石英衬底。采用石英材料作为宽带隙绝缘衬底，主要是利用石英的载流子不易被激发以及基于石英材料等加工手段更为成熟的优势，其在太赫兹波段透过率在60％～70％。本领域技术人员应当理解，除了石英基片之外，还可以采用蓝宝石晶片等其他类型的宽带隙绝缘衬底，只要在光激发后不产生载流子且在太赫兹波可透过。
本实施例中，碲纳米线薄膜13的厚度介于1nm～200nm之间，其中，碲纳米线的长度介于100nm～5000nm之间。
本实施例中，碲纳米薄膜12的厚度为100nm，其是采用电子束蒸镀来形成的。
图4B为制备图4A所示光控太赫兹波调制芯片方法的流程图。如图4B所示，该制备方法包括：
步骤A，准备绝缘衬底11；
步骤B，在绝缘衬底上形成碲纳米薄膜12；
对于步骤B而言，本实施例中，碲纳米薄膜是采用电子束蒸镀的方式形成在双抛石英衬底上。在电子束蒸镀过程中，蒸镀腔真空抽到高于10-4Pa后进行电子束蒸镀，蒸镀沉积速度不高于0.1nm/s。碲单质薄膜完成沉积后，维持蒸镀腔真空，原位进行100℃退火半小时。
此外，申请人还用磁控溅射方式制备碲纳米薄膜12，使用磁控溅射时，溅射腔真空高于10-4Pa后，通入99.999％纯度的氩气进行磁控溅射。溅射速度不高于0.1nm/s。
测试结果表明，采用电子束蒸发和磁控溅射制备的光控太赫兹波调制芯片均可以满足实际应用的要求，并且，采用电子束蒸发制备的性能更好。
步骤C，制备碲纳米线溶液，将碲纳米线溶液滴涂在所述碲纳米薄膜上，待碲纳米线溶液的溶剂挥发完毕后，在碲纳米薄膜上形成碲纳米线薄膜13。
在上一实施例中已经论证了，Al箔置换法相比于电沉积法所制备的碲纳米线对太赫兹波的调制性能更佳，故本实施例中，采用Al箔置换法制备碲纳米线溶液。
具体地，步骤C1可以进一步包括：
子步骤C1，采用Al箔置换法制备碲纳米线溶液；
在室温条件下，将Al箔放入含有10mM TeO2和1M KOH的溶液中发生置换反应；待反应完全后，静置，加入HCl溶液中和，再用去离子水清洗，即可得到含有长度为2000nm～2500nm碲纳米线的溶液。
子步骤C2，采用滴涂法在碲纳米薄膜12上形成碲纳米线薄膜13
将15μL的碲纳米线溶液直接滴落在制备的厚度100nm碲纳米薄膜上，形成黑色均匀薄膜，静置在水平面上自然晾干，形成碲纳米线薄膜13。
当然，本领域技术人员可以根据实际需要对实验参数进行调整。
本发明中，混合维同质结的光控太赫兹波调制芯片包括：两个不同维度的碲薄膜。不同维度的Te单质实现的功能不同。1D的碲纳米线在不同的制备方法下得到尺寸不同，可根据使用要求进行制备，有高度的灵活性。2D的碲纳米薄膜(TeNF)其在工作频段为0.2THz-2.0THz的宽带太赫兹波段实现小功率的可激发阈值和在高功率下得到高调制的同时仍然保持超快特性，兼备调制速度快和调制深度大两个优势。
异质结存在一些不可忽视的缺点，如化学混合，晶界，晶格失配，和不连续的带状排列，这导致异质界面处存在大量的载流子散射和捕获中心，从而降低界面电荷转移效率，最终影响器件的整体性能。然而同质结由于其独特的结构和性质，如均质的组成成分、完美的晶格匹配和高效的界面电荷转移，在新型电子和光电子器件方面具有很大的前景。由于碲构成1D/2D混合维范德华同质结可加快了自由电荷的转移，促进了光生载流子的分离和迁移，从而为太赫兹波调制带来极大的优势。同时，实验也证明不同维度的碲之间存在较强的层间耦合，进一步提升了光控太赫兹波调制芯片的性能，这将在下文中进行更详细的说明。
图5为图4A所示光控太赫兹波调制芯片中碲纳米薄膜在泵浦波长为800nm不同功率的太赫兹峰值透射率的相对变化与泵浦和太赫兹脉冲之间的延迟时间的函数关系。图5中，碲纳米薄膜用TeNF表示。
由图5可以看出，函数关系仍然由三个具有不同时间尺度的阶段组成。首先泵浦光导致太赫兹振幅透过在几皮秒内急速下降，起源于热电子的产生。之后，快速恢复过程大约2皮秒，这就是电荷载流子开始冷却。随后，缓慢的恢复持续约8皮秒，恢复到初始状态。特别是，快分量和慢分量的弛豫时间均表现出泵注量无关性，这表明缺陷捕获和俄歇效应之间的协同作用主导了碲薄膜中的光载流子动力学，这有利于实现超快器件的调制速度不因泵浦功率的增加而恶化和不受外界条件的影响。
图6A和图6B分别为图4A所示光控太赫兹波调制芯片中碲纳米结构的拉曼光谱和XRD图谱。图中，采用电沉积法制备的碲纳米线用TeNW(85℃)表示，采用Al箔置换法制备的碲纳米线用TeNW(Al)表示，TeNF表示碲纳米薄膜。
众所周知，同质结的光学性质与材料成分及其界面密切相关。单个材料中的同质结可有效地提高载流子的分离和转移能力。在单元素材料中碲具有载流子迁移率等优异性能。图6A比较了不同碲纳米结构的拉曼特性。Al箔置换法制备的碲纳米线(TeNW(Al))的三个特征拉曼峰与碲纳米薄膜(TeNF)更接近。图6B显示了不同碲纳米结构和标准PDF卡的X射线衍射(XRD)图像。采用Al箔置换法制备的碲纳米线(TeNW(Al))和碲纳米薄膜(TeNF)典型峰是(100)和(101)面，可实现完美的晶面匹配。
图7为图4A所示光控太赫兹波调制芯片在不同调制功率情况下调制深度的实验曲线。其中，光控太赫兹波调制芯片同时包括：碲纳米薄膜和碲纳米线薄膜，表示为：TeNW(Al)/TeNF。如图7所示，随泵浦功率的增加，调制深度迅速提高，在100mW时调制深度达到94％，实现超高的调制深度。相对于碲纳米线，混合维范德华同质结明显提升了调制深度，调制速度明显加快。这由于其化学和电子结构的自然匹配，有助于界面内高效的界面电荷转移。
本实施例中，将调制深度定义为瞬态时间响应的最大值。图8为图4A所示光控太赫兹波调制芯片的调制深度随泵浦功率变化的示意图。如图8所示，碲纳米线(TeNW(Al))/碲纳米薄膜(TeNF)在泵浦功率为50mW时调制深度就可达到80％，并且在100mW时可获得调制深度94％，几乎全部被调制。这归因于碲纳米线(TeNW(Al))与碲纳米薄膜(TeNF)之间的具有均质的组成成分、完美的晶格匹配和强层间耦合。
三、光控太赫兹波调制系统
基于如上的光控太赫兹波调制芯片，本发明还提供了一种光控太赫兹波调制器和光控太赫兹波调制系统。图9为根据本发明光控太赫兹波调制系统实施例的示意图。为了便于理解，结合图9，对调制器和调制系统一并进行介绍。
请参照图9，本发明光控太赫兹波调制器包括：
如上实施例所述的光控太赫兹波调制芯片，其中，在石英衬底11上依次沉积有碲纳米薄膜12和碲纳米线薄膜13；
光泵浦源20，用于产生泵浦激光A照射所述太赫兹波调制芯片；
太赫兹波源31和太赫兹波探测器32，两者相对设置，其中，太赫兹波源31位于光控太赫兹波调制芯片的薄膜侧；太赫兹波探测器32位于光控太赫兹波调制芯片的衬底侧。
其中，本实施例中的光控太赫兹波调制芯片10可以是本发明光控太赫兹波调制芯片第一实施例或第二实施例中的光控太赫兹波调制芯片，均能够实现本发明。
优选地，本实施例中采用光控太赫兹波调制芯片第二实施例，即光控太赫兹波调制芯片，包括：绝缘衬底11，其在光激发后不产生载流子且太赫兹波可透过；碲纳米薄膜12，形成于所述绝缘衬底上，其厚度介于1nm～1000nm之间；碲纳米线薄膜13，形成于所述碲纳米薄膜上，其厚度介于1nm～200nm之间，其中，碲纳米线的长度介于100nm～5000nm之间。其中，碲纳米薄膜12为磁控溅射或电子束蒸镀形成的薄膜；所述碲纳米线薄膜13为由碲纳米线溶液采用滴涂法形成的薄膜。
其中，太赫兹波源31为光泵－太赫兹探测(OPTP)系统中的产生路，其发射太赫兹波B。太赫兹探测器32用于接收太赫兹波源31经过混合维碲材料的太赫兹信号。太赫兹波源31发射的太赫兹波B通过所述光控太赫兹波调制芯片，由太赫兹波探测器32进行探测，利用光泵浦源20产生的泵浦激光A对通过光控太赫兹波调制芯片10的太赫兹波进行调制。
工作原理：当波长为800nm的光泵浦源作用于在石英衬底上的混合维碲材料上，包括：碲纳米薄膜和碲纳米线层，由于材料的高迁移率和强光吸收以及内部的超快电荷转移特性，对太赫兹波进行主动调控。
实验证明，本实施例混合维光控太赫兹波调制系统实现了超高调制深度，同时调制速度保持在皮秒量级，尤其是碲纳米线/碲纳米膜在泵浦功率为100mW实现超高调制深度94％，同时调制速度在皮秒量级，也是目前太赫兹混合维范德华同质结全光调制器件中的最大调制。这意味着碲的混合维同质结可以有效地提高调制深度而保持快速的调制速度，实现器件多参量同时优化。
至此，本发明的各个实施例介绍完毕。
综上所述，本发明光控太赫兹波芯片和系统依赖于碲材料独特的光电特性，同时集成了1维的碲纳米线的高度灵活性和2维的碲纳米薄膜调制速度快和调制深度大两个优势，相比于其他光控太赫兹波调制芯片具有更大的优势，具有良好的应用前景。
需要说明的是，对于某些实现方式，如果其并非本发明的关键内容，且为所属技术领域中普通技术人员所熟知，则在附图或说明书正文中并未对其进行详细说明，此时可参照相关现有技术进行理解。以上部分已经结合附图对本发明实施例进行了尽可能详细地描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。
除非明确指明为相反之意，本发明的说明书及权利要求中的数值参数可以是近似值，能够根据通过本发明的内容改变。具体而言，所有记载于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
可以理解的是，本发明可以用许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单的更改或替换。
类似的，应当理解，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图，或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：所要求保护的本发明需要比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，各个发明方面在于少于前面单个实施例的所有特征。并且，实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上各个具体实施例，对本发明的目的、技术手段和有益效果进行了详细说明，应理解的是，详细说明的目的在于本领域技术人员能够更清楚的理解本发明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于碲纳米线的光控太赫兹波调制芯片，其特征在于，包括：
绝缘衬底，其在光激发后不产生载流子且太赫兹波可透过；
碲纳米线薄膜，形成于所述绝缘衬底上。
2.根据权利要求1所述的光控太赫兹波调制芯片，其特征在于，所述碲纳米线薄膜的厚度介于1nm～200nm之间，其中，碲纳米线的长度介于100nm～5000nm之间。
3.根据权利要求1所述的光控太赫兹波调制芯片，其特征在于，还包括：
碲纳米薄膜，形成于所述绝缘衬底上，其厚度介于1nm～1000nm之间；
其中，所述碲纳米线薄膜形成于所述碲纳米薄膜之上。
4.根据权利要求3所述的光控太赫兹波调制芯片，其特征在于，所述碲纳米薄膜的厚度1nm～200nm之间。
5.根据权利要求1所述的光控太赫兹波调制芯片，其特征在于，所述绝缘衬底为：石英衬底或蓝宝石衬底。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述光控太赫兹波调制芯片的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A，准备绝缘衬底；
步骤C，在所述绝缘衬底上形成碲纳米线薄膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C包括：
子步骤C1，制备碲纳米线溶液；
子步骤C2，将碲纳米线溶液滴涂在所述绝缘衬底上，待碲纳米线溶液的溶剂挥发完毕后，在绝缘衬底上形成碲纳米线薄膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述子步骤C1中，
采用电沉积法制备碲纳米线溶液，包括：配置含有TeO2和KOH的溶液作为电解液，在电化学工作站中采用三电极体系进行制备：工作电极为铜片，对电极为铂片，参比电极为Hg/HgO电极，在过电位为-1.8V、温度为85℃条件下进行沉积。待反应完全后，静置，加入酸性溶液中和，再用去离子水清洗，得到含有碲纳米线溶液；或
采用Al箔置换法制备碲纳米线溶液，包括：在室温条件下，将Al箔放入含有TeO2和KOH的溶液中发生置换反应。待反应完全后，静置，加入酸性溶液中和，再用去离子水清洗，得到碲纳米线溶液。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括：
步骤B，在所述绝缘衬底上形成碲纳米薄膜；
所述步骤C包括：在所述碲纳米薄膜上形成碲纳米线薄膜。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，采用磁控溅射或电子束蒸镀来在所述绝缘衬底上形成碲纳米薄膜。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| K P MITHUN等: "Dirac surface plasmons in photoexcited bismuth telluride nanowires: optical pump-terahertz probe spectroscopy", 《NANOSCALE》, 23 March 2021 (2021-03-23) * |
| PARITOSH MOHANTY等: "Synthesis of Single Crystalline Tellurium Nanotubes with Triangular and Hexagonal Cross Sections", 《J. PHYS. CHEM. B》, 21 December 2005 (2005-12-21), pages 8 * |
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