太赫茲波段氧化物超晶格與主動調(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、簡便、實(shí)用的太赫茲輻射源和探測器層出不窮，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)行無線通訊，更是引人注目。
　　太赫茲技術(shù)具有巨大的應(yīng)用價值，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，而只有探測清楚了各類材料與太赫茲波相互作用的特性，設(shè)計太赫茲器件才能有跡可循。二、太赫茲技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用離不開各類高效的調(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)與太赫茲波主動調(diào)控器件開展了如下的工作，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)天線和非線性晶體光整流效應(yīng)，搭建了兩套高信噪比、高穩(wěn)定性的透射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)。同時，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)天線的太赫茲系統(tǒng)中;此外，通過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域光譜改建為時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Drude-Lorentz模型的擬合對此現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋。同時，利用時間分辨太赫茲光譜系統(tǒng)，測量了GaAs單晶，石墨烯，以及InSb納米線等材料的載流子動態(tài)特性。通過一系列的材料測量與分析，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)計并制作了基于硅介質(zhì)的超快調(diào)控超表面。通過對硅薄膜進(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)了此超表面對太赫茲波的皮秒量級的超快調(diào)控功能，并基于半導(dǎo)

6、體載流子動力學(xué)建立理論模型對其進(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，只有一個調(diào)制效果，這在未來太赫茲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展需求中就顯得有些捉襟見肘。有鑒于此，基于VO2的絕緣-金屬相變，通過將VO2與金屬非對稱開口諧振環(huán)結(jié)合，設(shè)計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)合超表面能夠通過加熱和施加電流的方式實(shí)現(xiàn)對透射的太赫茲波的振幅調(diào)控，絕對調(diào)制深度高達(dá)54％，品質(zhì)因數(shù)高達(dá)138％?；赩O2在