新型納米器件，可生成大功率的太赫茲波

（文章來(lái)源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

據(jù)瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一款比現(xiàn)今最快速的晶體管快10倍的納米器件。該器件可以生成大功率的太赫茲波。眾所周知，雖然太赫茲波可以應(yīng)用于從成像到感知再到高速無(wú)線通信的一系列領(lǐng)域，但卻難以生成。該器件的大功率皮秒操作，也為某些先進(jìn)的醫(yī)療技術(shù)例如癌癥治療帶來(lái)了巨大的希望。

太赫茲（THz）波，是頻率范圍在100GHz到10THz之間，介于微波與紅外線之間的電磁波。太赫茲波具有穿透性強(qiáng)、安全性高、定向性好、帶寬大、時(shí)間與空間分辨率高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以穿透紙張、衣服、木頭和墻壁，也可以檢測(cè)空氣污染。太赫茲波源可以徹底改變安全和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，此外還可以攜帶海量的數(shù)量，進(jìn)行更快速的無(wú)線通信。

太赫茲波是一種非電離的輻射，也就是說(shuō)不會(huì)有害人體健康。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在某些機(jī)場(chǎng)用于掃描乘客和檢測(cè)危險(xiǎn)物品和物質(zhì)。盡管太赫茲波的前景似乎一片光明，但是目前仍然沒(méi)有得到廣泛使用，原因就是造價(jià)昂貴且需要大而笨重的設(shè)備來(lái)產(chǎn)生。

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)將改變這一切。位于電力與寬帶隙電子研究實(shí)驗(yàn)室（POWERlab）的團(tuán)隊(duì)，在 Elison Matioli 教授的領(lǐng)導(dǎo)下，打造了一款納米器件（1納米等于百萬(wàn)分之一毫米）。該器件可以在皮秒（一皮秒等于一萬(wàn)億分之一秒）內(nèi)生成極高功率的信號(hào)，從而生成大功率的太赫茲波。

這項(xiàng)技術(shù)可安裝到芯片或者柔性材料上，未來(lái)甚至可安裝到智能手機(jī)和其他手提式設(shè)備上。這項(xiàng)研究的第一作者是 POWERlab 的博士研究生 Mohammad Samizadeh Nikoo，相關(guān)論文發(fā)表在《自然（Nature）》雜志上。

這款便宜的全電子小型納米器件，通過(guò)一個(gè)微型太赫茲波源，立刻生成高強(qiáng)度的太赫茲波。其工作方式是在一皮秒內(nèi)生成一個(gè)強(qiáng)大的“電火花”，這個(gè)“電火花”具有從10伏（或者更低）到100伏的電壓尖峰。該設(shè)備能夠幾乎連續(xù)地生成這種“火花”，這意味著每秒可發(fā)出高達(dá)5千萬(wàn)個(gè)信號(hào)。當(dāng)安裝在天線上時(shí)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生并發(fā)射大功率太赫茲波。

該器件由兩塊緊密靠近的金屬板組成，它們之間的距離低至20納米。當(dāng)施加電壓時(shí)，電子涌向其中一塊板，在那里形成納米等離子體。一旦電壓達(dá)到某個(gè)閾值，電子幾乎立刻射向第二塊板。用如此快速的切換實(shí)現(xiàn)的這種迅速移動(dòng)，創(chuàng)造出了一個(gè)可以產(chǎn)生高頻波的高強(qiáng)度脈沖。

傳統(tǒng)電子器件的切換速度僅能達(dá)到每皮秒1伏，這對(duì)于生成大功率太赫茲波來(lái)說(shuō)太慢。

這款新型納米器件，速度快十倍，可生成既高能量又高頻率的脈沖。Matioli 表示：“通常來(lái)說(shuō)，讓這兩個(gè)變量都達(dá)到很高的值是不可能的。高頻半導(dǎo)體器件的尺寸是納米級(jí)的，它們只能承受住幾伏的電壓。與此同時(shí)，大功率器件，對(duì)于生成太赫茲波來(lái)說(shuō)顯得太大太慢。我們方案是用最新的納米級(jí)制造技術(shù)重新訪問(wèn)老舊的等離子體場(chǎng)，從而提出一種可以突破這些限制的新器件。”

Matioli 稱新器件將所有的變量都推向了極限值：“你通常不會(huì)在同一個(gè)句子中聽(tīng)到‘高頻率’、‘大功率’和‘納米級(jí)’這些詞匯?！?/p>

Samizadeh 表示：“從一方面說(shuō)，這些納米器件帶來(lái)了極高水平的簡(jiǎn)單性和低成本，從另一方面說(shuō)，也展示了卓越的性能。此外，它們可以與其他的電子器件例如晶體管集成到一起。就這些特性而言，納米等離子體可以為超高速電子器件領(lǐng)域塑造一個(gè)不同的未來(lái)?！?/p>

這項(xiàng)技術(shù)除了生成太赫茲波以外還有更為廣泛的應(yīng)用。Matioli 補(bǔ)充道：“我們非常肯定會(huì)有更多的創(chuàng)新應(yīng)用到來(lái)?！?br /> （責(zé)任編輯：fqj）