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Titel: New Materials for Photoconductive Terahertz Antennas
Autor: Abdulmunem, Oday Mazin
Weitere Beteiligte: Koch, Martin (Prof. Dr.)
Veröffentlicht: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0609
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-06095
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0609
DDC: Physik
Titel(trans.): Neue Materialien für Photoleitender Terahertz Antennen
Publikationsdatum: 2017-10-28
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0

Dokument

Schlagwörter:
Characterization of photoconductive, Enhanced THz emission., THz-Zeitbereichsspektroskopie verwendet werden, Charakterisierung photoleitender, Erhöhte THz-Emission., LT-GaAs photoleitenden antennen, LT-GaAs photoconductive antenna, THz time-domain spectroscopy, LT-GaAs photoleitenden antennen, Charakterisierung photoleitender, THz-Zeitbereichsspektroskopie verwendet werden, Erhöhte THz-Emission.

Summary:
In this thesis, we have first introduced a new setup for the reliable characterization of photoconductive antennas to be used in THz time-domain spectroscopy. Using this setup one can benchmark THz antennas with high precision. The intra-day reproducibility error is in the range of 1.9% while the reproducibility within 9 days is 2.6%. This includes not only absolute power stability but also reproducibility of the spectra by eliminating alignment errors that alter the transfer function from sender to receiver. In order to demonstrate the full capabilities of the system, we investigated samples from five LT-GaAs wafers, grown at temperatures between 200°C and 300°C, in a systematic manner. The obtained results are in good agreement with previous studies on the same material system. These results prove that the system allows for quality control of photoconductors with minimum comparison error. We have also investigated the correlation between THz emission strength and the surface properties of the LT-GaAs photoconductive antenna. The THz characteristics were measured with the highly stable setup mentioned above, which allowed exciting a 10-mm long CPS antenna along the gap without changing the alignment of the optical or THz beam path. The surface properties were quantified regarding roughness and grain size. The roughness was extracted from AFM measurements and the grain size from SEM measurements. A comparison of the THz emission strength in form of the peak-to peak THz amplitude and the surface properties showed a strong nonlinear correlation: a smaller grain size and a smoother surface increase the THz amplitude. These results can be used in the future to optimize the performance of THz antennas. Additionally, we have successfully prepared TiN-nanoparticles using ultrasonic and pulsed laser ablation techniques. The two techniques provide with a different distribution of Zeta-potential and particle size. Within our experimental conditions, pulsed laser ablation can give lower particle size and greater Zeta-potential. TiN-nanoparticles prepared by these techniques have a high and flat absorbance in the spectral range 600 -1000 nm. LT-GaAs covered with dispersed TiNnanoparticles has enhanced THz emission when the average particle size is about 62 nm. More investigations are needed on how to develop preparation and deposition techniques in such a way that control the shape, size, distance between the particles. This may lead to a further improvement of the THz power emitted from such devices. Finally, we demonstrated that coating with MnFe2O4 nanoparticles could be used to improve the performance of photoconductive antennas in the THz region. Our experiments demonstrate that coatings with MnFe2O4−particles provided a new approach to increase the photocurrent density on silicon under CW illumination. In order to understand the effect ofMnFe2O4 nanoparticles on photo-excited silicon, a semiconductor model was proposed to describe this phenomenon. We used this model to calculate the transmission amplitudes of THz pulses transmitted through bare silicon substrates and silicon substrates covered by MnFe2O4 nanoparticles under laser irradiation with different powers. Because the effect of MnFe2O4 nanoparticles on silicon significantly provides an enhanced attenuation of terahertz wave, silicon substrates covered by MnFe2O4 nanoparticles have the potential to be used as an optical modulator in the THz region. This may lead to a costefficient component for THz systems operating in transmission mode. Furthermore, MnFe2O4 nanoparticles could be used for the implementation of novel optical devices.

Zusammenfassung:
In dieser Arbeit wird ein neuartiger Aufbau für die zuverlässige Charakterisierung photoleitender Antennen vorgestellt, welche im Bereich der THz-Zeitbereichsspektroskopie verwendet werden. Der Aufbau ermöglicht die Vermessung von THz-Antennen mit hoher Genauigkeit. Die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse lässt sich für Messungen innerhalb eines Tages mit einem Fehler im Bereich von 1,9% beziffern. Über eine Zeitspanne von 9 Tagen beträgt der Fehler 2,6%. Dies umfasst nicht nur die Stabilität der absoluten THz-Leistung, sondern auch die Reproduzierbarkeit des Spektrums, die durch die Vermeidung von Justagefehlern, welche die Transferfunktion zwischen Sender und Empfänger verändern würden, sichergestellt wird. Zur Demonstration des vollen Leistungsumfangs des Systems wurden Proben von insgesamt fünf LT-GaAs-Wafern, welche bei Temperaturen zwischen 200°C und 300°C gewachsen wurden, in systematischerWeise untersucht. Die so erzielten Ergebnisse liegen in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen früherer Untersuchungen an demselben Materialsystem. Diese Ergebnisse zeigen, dass das System den Vergleich und die Qualitätskontrolle von Halbleiterproben bei einem minimalen Fehler erlaubt. Des weiteren wurde die Korrelation zwischen der Stärke des emittierten THz-Signals und den Oberflächeneigenschaften der photoleitenden Antennen auf LT-GaAs-Basis untersucht. Die THz-Eigenschaften wurden mit dem oben erwähnten hochstabilen Messaufbau untersucht, welcher es ermöglicht eine 10mm lange CPS-Antenne entlang des ”Gap” anzuregen ohne, dass ein Nachjustieren des THz-Pfads oder des optischen Pfads erfolgt. Die Oberflächeneigenschaften wurden durch die Bestimmung der Rauigkeit und Korngröße quantifiziert. Der Vergleich des emittierten THz- Signals gemessen an seiner Peak-to-Peak-Amplitude und der berflächeneigenschaften zeigte eine starke nichtlineare Korrelation: Eine kleinere Korngröße und eine glattere Oberfläche vergrößern die THz-Amplitude. Diese Ergebnisse können in der Zukunft verwendet werden, um die Leistung von THz-Antennen zu optimieren. In einem weiteren Versuch kamen TiN-Nanopartiekl zum Einsatz, welche durch Ultraschall und gepulste Laser-Ablation hergestellt wurden. Die mittels dieser zwei Techniken hergestellten Nanopartikel besitzen verschiedene Verteilungen des Zeta-Potentials und der Partikelgröße. In den durchgeführten Experimenten zeigten die mittels gepulste Laser-Ablation hergestellten Partikel eine kleinere Partikelgröße und ein höheres Zeta-Potential. TiN-Nanopartikel, die mittels dieser Technik hergestellt wurden, weisen eine starke und zugleich flache Absorption im Spektralbereich von 600-1000 nm auf. LT-GaAs-Proben, welche mit TiN-Nanopartikeln beschichtet wurden, weisen eine erhöhte THz-Emission auf, wenn die Partikelgröße in etwa 62 nm beträgt. Gegenstand weiterer Untersuchungen sollte die Entwicklung einer Technik zur Vorbereitung und Aufbringung der Nanopartikel sein, welche eine Kontrolle der Form, der Größe und des Abstands zwischen den Partikeln erlaubt. Auf diese Weise könnte die von derartigen Bauelementen abgestrahlte THz-Leistung weiter gesteigert werden. Schließlich wurde gezeigt, dass eine Beschichtung mit MnFe2O4-Nanopartikeln sich leistungssteigernd auf photoleitende Antennen im THz-Frequenzbereich auswirken kann. Die Experimente zeigen, dass die Beschichtung mit MnFe2O4−Partikeln einen neuartigen Ansatz darstellt, um die Photostromdichte in Silizium unter kontinuierlicher Anregung zu erhöhen. Zum Verständnis der Auswirkungen vonMnFe2O4-Nanopartikeln auf optisch angeregtes Silizium wur-de ein Modell zur Beschreibung des Phänomens entwickelt. Dieses Modell kommt zum Einsatz, um die transmittierte Amplitude von THz-Pulsen zu berechnen, welche durch pures Silizium transmittiert wurden, und solchen, welche durch mit MnFe2O4-Nanopartikeln beschichtetes Silizium transmittiert wurden, wobei die Leistung der optischen Anregung variiert wurde. Aufgrund des Effekts, dass sich die Absorption des THz-Signals in den mit MnFe2O4 beschichteten Silizium-Proben mit der optischen Anregung erhöht, besitzen diese Proben das Potenzial als optischer Modulator im THz-Frequenzbereich verwendet zu werden. Dies könnte zu einem reisgünstigen Bauelement für in Transmissionsgeometrie arbeitende THz-Systeme führen. Außerdem könnten MnFe2O4-Nanopartikel in neuartigen optischen Bauelementen Verwendung finden.


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