科學家打造出能產生「THz 兆赫波」並兼具高頻、高功率的奈米級元件

科技新報
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兆赫波（Terahertz，THz）介於電磁頻譜中微波與紅外輻射之間，並以每秒 1,000 億至 30 兆次週期的頻率振盪。兆赫波因其獨特特性而備受重視：它們可以穿透紙張、衣服、木頭和牆壁，並能檢測空氣污染。兆赫波輻射源可以徹底改變安全與醫療造影系統。此外，它們具備承載大量資料的能力，可能成為發展超高速無線通訊技術的關鍵。兆赫波是一種非游離輻射（Non-Ionizing Radiation，NIR），這意味著它們不會對人體健康構成威脅。該技術已在某些機場中用於掃描旅客並檢測危險物體和有害物質。

儘管擁有無比廣闊的發展前景，但兆赫波並未獲得廣泛的應用，因為它們的產生成本過高且麻煩。但是由瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究人員所開發的新技術可能會改變這一切。由 Elison Matioli 教授所帶領的「功率和寬能隙電子研究實驗室」（Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory，POWERlab）團隊打造了一種能在幾皮秒（Picosecond，PS；一兆分之一秒）的時間內產生極高功率訊號的奈米元件，這樣的元件能產生高功率兆赫波。

這個可以安裝在晶片或柔性介質上的技術，有一天可能會安裝在智慧型手機和其他手持裝置中。這篇闡述採用突破性技術之奈米元件的論文是由 POWERlab 博士生 Mohammad Samizadeh Nikoo 做為第一作者撰寫的，並已發表在《自然》（Nature）期刊上。

比傳統電子元件快 10 倍，能同時產生高能及高頻脈衝

這個體積迷你且價格便宜的全電式奈米元件幾乎立即就可以從微小輻射源產生高強度的兆赫波。其工作原理是產生強大的「火花」，伴隨電壓會在 1 皮秒內從 10 伏特飆升至 100 伏特。該元件幾乎能夠連續不斷地產生這樣的火花，這意味著它每秒可以發出多達 5,000 萬個訊號。當連接到天線後，該系統可以產生並輻射高功率兆赫波。

該元件由兩塊相距僅 20 奈米的金屬板組成。施加電壓之後，電子會湧向其中一個極板，並隨即在該極板上形成奈米電漿球（Nanoplasma）。一旦電壓達到某個閾值，電子幾乎立即被發射到第二個極板上。透過這種快速轉換便能實現這樣快速的移動，該轉換能產生出引發高頻率波的高強度脈衝。傳統電子元件只能以最高每皮秒 1 伏特的速度進行切換，這樣會太慢而無法產生高功率兆赫波。

這款速度上可提高 10 倍以上的全新納米元件，可以同時產生高能及高頻脈衝。「在通常的情況下，無法兩個變量都能達到很高的值，」Matioli 指出：「高頻半導體元件的尺寸是納米級的。它們在爆發前只能因應幾伏特的電壓。同時之際，高功率元件多半體積太大、速度太慢，而無法產生兆赫波。我們的解決方案是藉由最先進的奈米級製程技術重新審視舊領域的電漿，以提出能避開這些限制的全新元件。」

根據 Matioli 的說法，新元件將所有變量發揮到了極致：「因為高頻率、高功率和奈米級等名詞術語通常不會出現在同一個句子裡。」

「這些奈米元件一方面帶來了極高的簡便性和低成本，另一方面也提供了極其出出色的超高效能表現。除此之外，它們還能與電晶體之類的其他電子元件整合。考量到這些獨特的特性，奈米電漿球可以為超高速電子領域塑造一個不同的未來。」Samizadeh 說。

該技術除了可以產生兆赫波之外，還可以衍生出廣泛的應用。「我們非常肯定會有更多創新的應用出現，」Matioli 補充表示。

（首圖來源：EPFL）