TU Darmstadt / ULB / TUprints

Graphene Based Terahertz Devices

Jumaah, Alaa (2021):
Graphene Based Terahertz Devices. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019222,
[Ph.D. Thesis]

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Graphene Based Terahertz Devices.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Graphene Based Terahertz Devices
Language: English
Abstract:

Terahertz waves enable many applications such as microscopic imaging with a very high spatial resolution due to the (sub-)mm wavelength. Moreover, many optically opaque materials such as paper, envelopes, clothes, or many kinds of plastic are transparent to terahertz radiation. Additionally, the corresponding photon energy of the terahertz radiation, 1 - 100 meV, is harmless for various materials and biomolecules. Therefore, the terahertz wave is much safer in medical applications compared to X-rays waves. The development of technology to enhance terahertz devices (sources and detectors) was one of the biggest challenges in the terahertz field. Conventional interdigitated photomixers are one of the main efficient devices that can generate and detect terahertz radiation. However, these types of photomixers have many limitations that restricted the operation performance.

This dissertation presents new types of terahertz photomixers based on nanoelectrodes (single and multilayer graphene) that significantly enhance the terahertz output power, detection sensitivity, and operational performance. The nanoelectrodes design enhances the device characteristics directly and the operational performance. The DC measurements of the graphene photomixers indicated highly improved performance as compared to the conventional devices. The graphene photomixers showed a large increase in the generated photocurrent (more than one order of magnitude) and proved the device's reliability under very high bias voltage without damage. The terahertz measurement results of the graphene photomixers clearly enhanced by 30 times due to the effect of high transparency, electrical conductivity, and thermal conductivity of the graphene. The improvement of the terahertz output power in graphene devices compared to the conventional devices leads to potential applications in a higher terahertz frequency range.

This dissertation presents a novel approach to enhance the terahertz output power of the new types of photomixers with hybrid nanoelectrodes based on graphene and silver nanowires. Similar to graphene photomixers, the hybrid nanoelectrodes photomixers recorded even higher generated photocurrent (more than two orders of magnitude), 50 times higher terahertz output power, and device reliability under very high bias voltage without damage as compared to the conventional interdigitated photomixers. In this dissertation, all respective fabrication, characterization, and measurement details are presented and described.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Terahertzwellen ermöglichen viele Anwedungen, wie makroskopische Bildgebung mit sehr hoher räumlicher Auflösung dank der sub-Millimeter Wellenlänge. Außerdem sind viele lichtundurchlässige Materialien, wie Papier, Briefumschläge, Kleidung, sowie viele Plastiken transparent gegenüber Terahetzstrahlung. Darüber hinaus ist die entsprechende Photonenenergie der Terahertzstrahlung, 1 - 100 meV, für viele Materialien und biologischem Gewebe unschädlich. Deswegen ist Terahetzstrahlung im medizinischen Umfeld viel sicherer im Vergleich zu Röntgenstrahlung. Die technologische Entwicklung, um Terahertzbauteile (Quellen und Detektoren) zu verbessern war eine der größten Herausforderungen im Bereich von Terahertz. Herkömmliche fingerförmig ineinandergreifende Photomischer sind die effizientesten Bauteile, welche Terahertzstrahlung erzeugen und detektieren können. Jedoch hat dieser Typ von Photomischern viele Einschränkungen, die die Leistungsfähigkeit begrenzen.

Diese Dissertation präsentiert neue Arten von Terahertz Photomischern basierend auf Nanoelektroden (einschichtiges und mehrschichtiges Graphen), welche die Terahertz Ausgangsleistung, die Detektorsensitivität und Leistungsfähigkeit signifikant erhöht. Das Nanoelektrodendesign verbessert die Bauteilcharakteristik und Leistungsfähigkeit direkt. Gleichstrommessungen von Graphenphotomischern zeigen eine deutliche Leistungssteigerung im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen. Graphenphotomischer zeigen eine große Steigerung des Photostroms (mehr als eine Größenordnung) und zeigen eine hohe Zuverlässigkeit, da sie hohe Biasspannungen ohne Schaden überstehen. Terahertzmessungen von Graphenphotomischer zeigen eine Erhöhung der Ausgangsleisgung um einen Faktor von 30 dank erhöhter Transparenz, sowie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit des Graphens. Die Verbesserung der Terahertzausgangsleistung der graphenbasierenden Bauteile im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen ermöglicht das Potential für Anwendungen in einem Bereich höherer Terahertzfrequenzen.

Diese Arbeit präsentiert außerdem einen neuartigen Ansatz, um die Terahertzausgangsleistung von Photomischern mit hybriden Nanoelektroden basierend auf Graphen und Silbernanodrähten zu steigern. Ähnlich zu Graphenphotomischern, zeigen Photomischer mit hybriden Nanoelektroden einen noch größeren Photostrom (mehr als zwei Größenordnungen), 50~fache Terahertzausgangsleistung, sowie die Möglichkeit hoher Biasspannungen ohne Beschädigungen im Vergleich zu herkömmlichen fingerförmig ineinandergreifenden Photomischern. In dieser Dissertation sind alle Details zu Prozessierungsschritten, Charakterisierungen und Messungen präsentiert und beschrieben.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 136 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 05 Aug 2021 07:33
Last Modified: 05 Aug 2021 07:33
DOI: 10.26083/tuprints-00019222
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-192229
Referees: Kusserow, Prof. Dr. Thomas ; Monroy, Prof. Dr. Idelfonso Tafur
Refereed: 26 May 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19222
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