太赫茲波段氧化物超晶格與主動(dòng)調(diào)控器件的研究.pdf

1、太赫茲技術(shù)自二十世紀(jì)出現(xiàn)之后，吸引了科研人員極大的興趣，特別是進(jìn)入二十一世紀(jì)后，太赫茲相關(guān)的科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用都進(jìn)入了日新月異的蓬勃發(fā)展?fàn)顟B(tài)。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，各種高效、簡(jiǎn)便、實(shí)用的太赫茲輻射源和探測(cè)器層出不窮，太赫茲波與不同物質(zhì)的相互作用不斷被揭示，太赫茲波的各類(lèi)調(diào)控器件如雨后春筍，此外，太赫茲技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合的跨學(xué)科研究也在不斷深入進(jìn)行當(dāng)中。在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，太赫茲開(kāi)始嘗試應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，太赫茲安檢儀也已經(jīng)投入實(shí)用當(dāng)中，特別是利用太

2、赫茲波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊，更是引人注目。
　　太赫茲技術(shù)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，但是仍有許多需要深入研究和改進(jìn)的地方。其中主要有以下兩點(diǎn):一、很多材料在太赫茲波段的響應(yīng)仍是未知的，而只有探測(cè)清楚了各類(lèi)材料與太赫茲波相互作用的特性，設(shè)計(jì)太赫茲器件才能有跡可循。二、太赫茲技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用離不開(kāi)各類(lèi)高效的調(diào)控器件，但是目前太赫茲功能器件仍然比較匱乏。因此，本文主要圍繞太赫茲波段的物質(zhì)響應(yīng)與太赫茲波主動(dòng)調(diào)控器件開(kāi)展了如下的工作，具體的內(nèi)容包括:

3、>　　1.完成太赫茲系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)搭建工作。分別基于光電導(dǎo)天線(xiàn)和非線(xiàn)性晶體光整流效應(yīng)，搭建了兩套高信噪比、高穩(wěn)定性的透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)。同時(shí)，為了拓展太赫茲系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，將532nm的連續(xù)激光器與77～800K的大范圍恒溫腔集成到基于光電導(dǎo)天線(xiàn)的太赫茲系統(tǒng)中;此外，通過(guò)引入高能量的飛秒脈沖泵浦，將基于碲化鋅晶體的太赫茲時(shí)域光譜改建為時(shí)間分辨太赫茲光譜系統(tǒng)，為太赫茲相關(guān)的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　2.利用自行搭建的兩套太赫茲系統(tǒng)

4、初步探究了一些材料，特別是量子功能材料與太赫茲波的相互作用。重點(diǎn)測(cè)量了不同周期數(shù)的La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3超晶格薄膜的太赫茲響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了532nm連續(xù)激光的泵浦對(duì)此超晶格在太赫茲波段的介電常數(shù)具有較大的調(diào)控作用，并通過(guò)Drude-Lorentz模型的擬合對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋。同時(shí)，利用時(shí)間分辨太赫茲光譜系統(tǒng)，測(cè)量了GaAs單晶，石墨烯，以及InSb納米線(xiàn)等材料的載流子動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)一系列的材料測(cè)量與分析，深入了解了

5、各種材料在太赫茲波段的物性，也顯示出了太赫茲光譜技術(shù)在材料科學(xué)領(lǐng)域的重大作用。
　　3.考慮到當(dāng)下對(duì)太赫茲波超快調(diào)控的迫切需要以及緊缺的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并制作了基于硅介質(zhì)的超快調(diào)控超表面。通過(guò)對(duì)硅薄膜進(jìn)行離子注入和快速熱處理工藝，大大減小了硅的載流子壽命并提高了自由載流子濃度。然后通過(guò)光刻、刻蝕工藝將硅薄膜加工為能在太赫茲波段共振的圓盤(pán)陣列結(jié)構(gòu)的超表面。利用紅外飛秒脈沖的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了此超表面對(duì)太赫茲波的皮秒量級(jí)的超快調(diào)控功能，并基于半導(dǎo)

6、體載流子動(dòng)力學(xué)建立理論模型對(duì)其進(jìn)行了合理的解釋。
　　4.到目前為止，絕大部分的太赫茲波調(diào)控器件功能單一，只有一個(gè)調(diào)制效果，這在未來(lái)太赫茲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展需求中就顯得有些捉襟見(jiàn)肘。有鑒于此，基于VO2的絕緣-金屬相變，通過(guò)將VO2與金屬非對(duì)稱(chēng)開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種太赫茲波段的多功能可調(diào)諧復(fù)合超表面。此復(fù)合超表面能夠通過(guò)加熱和施加電流的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)透射的太赫茲波的振幅調(diào)控，絕對(duì)調(diào)制深度高達(dá)54％，品質(zhì)因數(shù)高達(dá)138％?；赩O2在