太赫茲波段氧化物超晶格與主動調控器件的研究.pdf

1、太赫茲技術自二十世紀出現(xiàn)之后，吸引了科研人員極大的興趣，特別是進入二十一世紀后，太赫茲相關的科學研究與技術應用都進入了日新月異的蓬勃發(fā)展狀態(tài)。在基礎研究領域，各種高效、簡便、實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的相互作用不斷被揭示，太赫茲波的各類調控器件如雨后春筍，此外，太赫茲技術與其他技術相結合的跨學科研究也在不斷深入進行當中。在技術應用領域，太赫茲開始嘗試應用于生物醫(yī)學，太赫茲安檢儀也已經(jīng)投入實用當中，特別是利用太

2、赫茲波進行無線通訊，更是引人注目。
　　太赫茲技術具有巨大的應用價值，但是仍有許多需要深入研究和改進的地方。其中主要有以下兩點:一、很多材料在太赫茲波段的響應仍是未知的，而只有探測清楚了各類材料與太赫茲波相互作用的特性，設計太赫茲器件才能有跡可循。二、太赫茲技術的實際應用離不開各類高效的調控器件，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響應與太赫茲波主動調控器件開展了如下的工作，具體的內容包括:

3、>　　1.完成太赫茲系統(tǒng)相關的實驗搭建工作。分別基于光電導天線和非線性晶體光整流效應，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)，為太赫茲相關的研究奠定了基礎。
　　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，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)具有較大的調控作用，并通過Drude-Lorentz模型的擬合對此現(xiàn)象進行了合理的解釋。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在材料科學領域的重大作用。
　　3.考慮到當下對太赫茲波超快調控的迫切需要以及緊缺的現(xiàn)狀，設計并制作了基于硅介質的超快調控超表面。通過對硅薄膜進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構的超表面。利用紅外飛秒脈沖的激發(fā)，實現(xiàn)了此超表面對太赫茲波的皮秒量級的超快調控功能，并基于半導

6、體載流子動力學建立理論模型對其進行了合理的解釋。
　　4.到目前為止，絕大部分的太赫茲波調控器件功能單一，只有一個調制效果，這在未來太赫茲技術的進一步發(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)結合，設計了一種太赫茲波段的多功能可調諧復合超表面。此復合超表面能夠通過加熱和施加電流的方式實現(xiàn)對透射的太赫茲波的振幅調控，絕對調制深度高達54％，品質因數(shù)高達138％?；赩O2在