New Materials for Photoconductive Terahertz Antennas

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 r...

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Main Author: Abdulmunem, Oday Mazin
Contributors: Koch, Martin (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2017
Subjects:
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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.