title: New Materials for Photoconductive Terahertz Antennas
title: Neue Materialien für Photoleitender Terahertz Antennen
Creators: name: Abdulmunem, Oday Mazin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Characterization of photoconductive
LT-GaAs photoleitenden antennen
Erhöhte THz-Emission.
Physics
Physik
THz-Zeitbereichsspektroskopie verwendet werden, Charakterisierung photoleitender
THz time-domain spectroscopy
Enhanced THz emission.
LT-GaAs photoconductive antenna
Charakterisierung photoleitender
THz-Zeitbereichsspektroskopie verwendet werden

description: 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 reproducibility within 9 days
      is 2.6%. This includes not only absolute power stability but
      also reproducibility of the spectra by eliminating alignment
      errors that alter the transfer function from sender to
      receiver. In order to demonstrate the full capabilities of
      the system, we investigated samples from five LT-GaAs wafers,
      grown at temperatures between 200°C and 300°C, in a
      systematic manner. The obtained results are in good agreement
      with previous studies on the same material system. These
      results prove that the system allows for quality control of
      photoconductors with minimum comparison error. We have also
      investigated the correlation between THz emission strength
      and the surface properties of the LT-GaAs photoconductive
      antenna. The THz characteristics were measured with the
      highly stable setup mentioned above, which allowed exciting a
      10-mm long CPS antenna along the gap without changing the
      alignment of the optical or THz beam path. The surface
      properties were quantified regarding roughness and grain
      size. The roughness was extracted from AFM measurements and
      the grain size from SEM measurements. A comparison of the THz
      emission strength in form of the peak-to peak THz amplitude
      and the surface properties showed a strong nonlinear
      correlation: a smaller grain size and a smoother surface
      increase the THz amplitude. These results can be used in the
      future to optimize the performance of THz antennas.
      Additionally, we have successfully prepared TiN-nanoparticles
      using ultrasonic and pulsed laser ablation techniques. The
      two techniques provide with a different distribution of
      Zeta-potential and particle size. Within our experimental
      conditions, pulsed laser ablation can give lower particle
      size and greater Zeta-potential. TiN-nanoparticles prepared
      by these techniques have a high and flat absorbance in the
      spectral range 600 -1000 nm. LT-GaAs covered with dispersed
      TiNnanoparticles has enhanced THz emission when the average
      particle size is about 62 nm. More investigations are needed
      on how to develop preparation and deposition techniques in
      such a way that control the shape, size, distance between the
      particles. This may lead to a further improvement of the THz
      power emitted from such devices. Finally, we demonstrated
      that coating with MnFe2O4 nanoparticles could be used to
      improve the performance of photoconductive antennas in the
      THz region. Our experiments demonstrate that coatings with
      MnFe2O4−particles provided a new approach to increase the
      photocurrent density on silicon under CW illumination. In
      order to understand the effect ofMnFe2O4 nanoparticles on
      photo-excited silicon, a semiconductor model was proposed to
      describe this phenomenon. We used this model to calculate the
      transmission amplitudes of THz pulses transmitted through
      bare silicon substrates and silicon substrates covered by
      MnFe2O4 nanoparticles under laser irradiation with different
      powers. Because the effect of MnFe2O4 nanoparticles on
      silicon significantly provides an enhanced attenuation of
      terahertz wave, silicon substrates covered by MnFe2O4
      nanoparticles have the potential to be used as an optical
      modulator in the THz region. This may lead to a costefficient
      component for THz systems operating in transmission mode.
      Furthermore, MnFe2O4 nanoparticles could be used for the
      implementation of novel optical devices.
description: 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.