皮秒太赫兹脉冲在GaAs及其低维结构半导体材料中的光生电流动力学研究

Under intense terahertz (THz) irradiation, the nonequilibrium distribution of carriers in momentum space of semiconductors can be formed by nonsymmetrical scattering, the photon momentum transfer, etc, which gives rise to the photocurrents across the homogenous medium. The THz-induced-current effects bridge the optical phenomena and the electron transport. The study on THz-induced currents is able to reveal the momentum relaxation dynamics at nonequilibrium states and contribute to the high-speed THz detector and imaging devices. However, these kinds of photocurrents were generated by using primarily nanosecond to microsecond duration intense THz sources, which failed to manipulate the THz-induced current coherently and to reveal its microscopic dynamics mechanism directly. In this proposal, we plan to investigate the THz induced currents, as well as the corresponding dynamics in GaAs and GaAs/AlGaAs quantum wells by using intense coherent THz pulses with picosecond duration and micro joule pulse energy, and also develop an all-optical coherent detection method. We will carry out the manipulations on the THz-induced currents by the THz autocorrection technique, and then retrieve some dynamic information. The THz pump-coherent two-color optical detection method based on the optical quantum interference in semiconductors will be developed, which can be employed to directly probe the current waveform and the distribution in the time domain. A deeper exploration on THz induced current transients under low temperature and high magnetic field will unveil the dynamics of electron momentum relaxation at nonequilibrium states, which can be correlated to the Landau levels, quantum well sub-bands, nonequivalent valleys, etc. The proposed studies aim to achieve the coherent control of THz-induced currents and its dynamic detection in the sub-picosecond time scale, and also possibly provide new insights and methods to study the THz high-field charge transport dynamics in semiconductors.

在太赫兹辐照下，半导体材料中的载流子可通过非对称散射或跃迁方式形成光生电流。太赫兹光生电流效应研究有助于发展太赫兹高速探测和成像器件。迄今，太赫兹光生电流主要利用纳秒到微秒脉宽的太赫兹波激励，难以探测其皮秒尺度超快动力学过程，理解其微观机制。本项目拟利用皮秒脉宽、微焦能量的强太赫兹脉冲研究砷化镓及其量子阱中太赫兹光生电流，以全光学相干探测方式深究其超快动力学。包括：利用高速示波器探测太赫兹光生电流及其自相关效应；基于电流引起的光学二次谐波效应，直接探测太赫兹光生电流时域波形和空间分布；结合光泵浦、低温及强磁场，揭示不同产生模式；探索太赫兹高场电输运动力学，发现太赫兹脉冲引起的弹道输运、Berry场输运等量子输运现象，并深入理解其和太赫兹光生电流的关联。本项目致力于实现半导体材料中太赫兹超快光生电流的相干探测，在太赫兹高速探测、成像及强场超快电输运动力学等方面具有重要研究意义。

在一定强度太赫兹光（0.1-10 THz）辐照下，一些半导体或低维结构材料中的载流子可通过非对称散射或跃迁等方式在动量空间形成不平衡分布，在无外部偏置电压条件下也可形成整流电流。太赫兹光生电流效应是连接太赫兹光学和电子输运的桥梁，其研究有助于发展具有超快反应速度的光电探测和成像器件。另外，太赫兹光生电流与热电子动力学紧密关联，涉及准粒子相互作用、激子、多体效应等丰富物理内涵。根据项目计划，我们发展太赫兹光生电流新型探测技术；探索砷化镓（GaAs）等材料中的太赫兹光生电流的产生机制；基于热电子动力学理解和调控需求，扩展材料体系，研究二维半导体材料体系中的超快光电流、热电子弛豫、激子、声子等相关动力学，理解不同准粒子相互作用模式及其与电子、声子结构等关联，深化对太赫兹热电子动力学及其非线性效应的认识，为太赫兹光生电流产生和探测提供关键依据；研究GaAs、石墨烯等半导体材料在高压、强磁场等条件下的非平衡态热电子动力学，初步探索太赫兹光生电流效应的外场调控。项目实施过程中获得了大量有价值的实验数据，取得了具有影响力的研究成果，在国际期刊发表论文10余篇，培养了多名博士和硕士研究生，完成了项目目标。代表性重要成果包括：发展出了非相干和相干方式的太赫兹光生电流探测技术；对GaAs材料实现了皮秒至纳秒时间尺度超大范围内的热电子动力学高压调控；获得了GaAs、InGaAs等半导体材料中的大幅度太赫兹光生电流及其优化路径；发现了石墨烯中层间耦合诱导的热电子冷却新机制；澄清了WS2、ReSe2/MoS2异质结等二维体系材料中诸如电荷转移、热电子弛豫、热激子等复杂动力学图像。一些研究结果发表在Physical Review Letters、ACS Nano、Nature Communications、Nano Research等期刊上，部分结果处于专利申请、文章撰写阶段，一些数据需要进一步的理论分析和补充实验。这些研究成果和数据拓展并加深了对GaAs等传统半导体以及新型范德华二维材料中热电子动力学的理解，有助于推动基于半导体材料的太赫兹波段光电器件的应用发展。