《太赫兹科学与电子信息学报》2023年第8期专栏征稿主题:太赫兹电磁理论、材料与器件

太赫兹波作为新一代通信、雷达、遥感和射电天文技术的信息载体,不仅能够提供超宽带的电磁波谱、Tbps的无线通信速率和毫米级的成像分辨率,而且能够推动同一电磁频谱下的通信、雷达和传感功能一体化,其应用前景极为广阔。当前太赫兹科学技术的研究已经进入深水区。

基于变参数超混沌系统的多图像加密方法

针对数字图像计算、存储和传输过程中的数据窃取、隐私泄漏等问题,提出了一种基于变参数超混沌系统的多图像加密方法。首先,用一个混沌系统的状态变量对另一个混沌系统的状态参数施加扰动,构造了一个变参数超混沌系统;其次,将输入灰度图像对进行重构,并将其输入SHA-512算法生成初始密钥;然后,将初始密钥输入变参数超混沌系统,迭代生成5组混沌序列,进而对重构图像进行幻方变换,实现像素位置的变换;最后,对幻方变换得到的图像进行S形扩散,实现像素数值的变化,得到了近似均匀分布的密文图像。结果表明,该算法改善了传统图像加密方法的低随机性、低复杂度等缺陷,同时,提高了密文图像的无序性及抵抗常规攻击的能力。

矿渣微晶玻璃材料设计神经网络模型

研究了人工神经网络在矿渣微晶玻璃材料设计中的应用。采用基于变尺度法的新学习算法建立了三层前馈型神经网络,发现当网络结构为M-2M-1,取一定范围内的学习误差时,网络具有很好的学习效果。研究证明,建立的人工神经网络模型学习速度快,收敛稳定,强壮性好,能根据较少的实验样本有效抽取矿渣微晶玻璃组成、工艺和性能之间的内在规律,是进行微晶玻璃材料设计的有力工具。

矿渣微晶玻璃研究与进展

回顾了矿渣微晶玻璃的研究历史,着重分析了不同主晶相的矿渣微晶玻璃的组成,结构与性能,对矿渣微晶玻璃的发展趋势和待解决的问题作了探讨。最后评述了我国在矿渣微晶玻璃开发与应用上与国外的差距。

电磁超材料吸收器的研究进展

基于电磁超材料的电磁谐振吸收器通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数可对入射到吸收器的特定频率的电磁波实现100%的完美吸收,因而受到国内外学术界的高度关注。综述了当前国内外基于电磁超材料的电磁波完美吸收器在微波和太赫兹波段的研究进展,分类介绍了吸收器的结构及性能特点,最后对电磁超材料吸收器的发展趋势和待解决的问题作了探讨。

矿渣微晶玻璃专家系统类比设计模型

类比学习是利用过去的经验来求解新问题的一种思维过程 ,是专家系统中实现知识自动获取的重要方法。根据矿渣微晶玻璃设计的基本特征 ,详细介绍了矿渣微晶玻璃类比设计的基本原理、类比因素以及类比准则。选择属性类比作为专家系统类比设计的主要方式 ,以矿渣的成分作为类比因素 ,以经过修正的综合类似度作为类比准则 ,结合矿渣微晶玻璃实例库和人工神经网络模型建立了专家系统类比设计模块。实验结果证明 ,该类比设计模块具有很好的设计效果 。

退火工艺对射频磁控溅射Bi：YIG薄膜磁性能的影响

对于用射频磁控溅射技术在Si基片上制备的Bi:YIG系薄膜,用快速循环退火方法对其进行晶化处理,研究了退火温度对Bi:YIG薄膜结晶状态和形貌的影响,以及退火气氛和循环周期对薄膜性能的影响.结果表明,用快速循环退火可以在Si单晶基片上得到磁性能优良的薄膜(饱和磁化强度139 kA/m,矫顽力6.37 kA/m)并使薄膜形貌有较大改善,在石英基片上制备的薄膜法拉第角比常规退火的薄膜增大了约一倍.

Bi:YIG纳米薄膜的磁光特性(英文)

用射频磁控溅射和快速退火方法制备了纳米量级的Bi:YIG薄膜,研究了薄膜的磁光特性。当晶粒尺寸从150nm 降到80nm时,透射率和Faraday角的值分别从75%和3.6°变成了80%和4.0°。结果表明:高的透射率和大Faraday角可以在晶粒尺寸为纳米量级的薄膜中共存。

矿渣微晶玻璃专家系统经验设计

分析了矿渣微晶玻璃材料设计知识的特点,确定了合适的知识表示方法。模拟了材料设计专家进行材料设计的思路,建立了矿渣微晶玻璃材料设计专家系统的经验设计模块,并由实例验证其具有很好的设计效果。

基于金属孔阵列的聚酰亚胺薄膜太赫兹探测

优化设计了多种不同孔径和形状的太赫兹波段的亚波长金属孔阵列结构,结合超薄低折射率的聚酰亚胺(PI)薄膜,探索了太赫兹时域光谱技术对超薄低折射率的探测灵敏性。利用飞秒微加工技术制备了一系列亚波长金属孔阵列结构,利用太赫兹时域光谱技术测试了阵列结构的反射波谱,获得了强烈的反射共振现象。然后在亚波长金属孔阵列结构背面叠加PI薄膜,结果表明太赫兹反射峰出现了显著低频移动现象。利用这一现象,实现了低至10μm的PI薄膜的有效探测,说明亚波长金属孔阵列结构在太赫兹传感领域对检测超薄低折射率薄膜材料有极强敏感性。

面外取向的(BiTm)_(3)(GaFe)_(5)O_(12)磁光单晶薄膜制备及取向机理分析

铋取代石榴石(Bi:YIG)薄膜具有较大的比法拉第旋角,且可通过调控其易磁化轴垂直于薄膜表面和降低材料饱和磁化强度,使其可工作在较小外加磁场下,进而满足磁光器件小型化、节能化的发展需求.本文基于对石榴石薄膜磁各向异性的理论分析,采用液相外延(liquid-phase epitaxy,LPE)法在钆镓石榴石(gadolinium gallium garnet,GGG)基底上制备了单晶(BiTm)_(3)(GaFe)_(5)O_(12)膜,并研究了其磁各向异性性能.研究发现,当外延膜厚度大于1μm时,形状各向异性对磁各向异性产生的影响可以忽略;随着生长温度的上升,进入薄膜组分的Bi^(3+)离子数量逐渐减少,薄膜晶格常数逐渐减小,薄膜的受力状态从压应力状态逐渐变为张应力;相较于生长感生各向异性,应力诱导的各向异性在磁各向异性的变化中占主导地位.(BiTm)_(3)(GaFe)_(5)O_(12)膜的Verdet常数为11.8×10^(4) rad/Tm@1064 nm,是常用磁光材料TGG的3000倍;其外加工作磁场小于200 Oe,有利于实现磁光器件的小型化和薄膜化.

线性自旋阀磁头的材料性能及结构参数优化

优化材料性能参数和自旋阀巨磁阻磁头的结构参数是微磁器件实用化的关键．本文基于建立的物理计算模型，首先利用传输线方法和微磁学理论对铁磁自由层中信号场和磁化强度分布进行了计算，优化了材料性能参数；其次讨论了磁头结构尺寸和磁参数对信号场和饱和磁感应强度的影响；最后将自旋阀巨磁阻磁头传感单元作为有源磁电阻放人前端放大电路，对输出电压。二次谐波及线性区间进行模拟，发现在缝宽g1＋g2≤0．7。线性偏电流10～50mA范围内，自旋阀磁头相对记录介质有线性信号输出。

NiFe/Ag/NiFe纳米结自旋晶体管研究

利用直流磁控溅射工艺和掩膜技术研制出新型NiFe/Ag/NiFe全金属自旋晶体管试样。该薄膜磁阻系数ΔR/R≥9%,全金属自旋晶体管试样集电极电流变化MC>587%(常温),且其性能随基极Ag层厚度减小而增强。全金属自旋晶体管具有电流放大、存贮及逻辑电路等功能,,有望替代现有的晶体管而应用于半导体大规模集成电路。

铜铂双单原子负载晶化氮化碳及其增强光催化CO_(2)还原性能

铂单原子作为一种新型催化剂,具有活性组分高度分散、配位未饱和以及原子利用率高等特点,在光催化还原CO_(2)方面表现出巨大潜力.但是由于成本高昂和负载量高等因素,极大地限制了其在实际生产中的广泛应用.合成具有低负载量贵金属铂,同时提高铂基单原子催化剂的催化活性仍然是一项巨大挑战.晶化石墨相氮化碳的二维结构,特别是其稳定晶化结构所形成的限域环境及其可扩展的π共轭单元,可以有效锚定金属单原子,因而可作为金属单原子的良好载体.已有的金属单原子载体氮化碳多为弱晶或非晶结构,基于晶化氮化碳的高结晶度和高结构稳定性,合理构建金属单原子沉积的结晶石墨相氮化碳体系仍十分困难.关于晶化氮化碳负载金属单原子催化剂应用于光催化还原CO_(2)的研究至今鲜有报道.本文开发了一种具有低负载量的铂基双单原子锚定晶化氮化碳的制备方法,通过设计氮化碳缺陷位点,在晶化石墨相氮化碳载体表面构筑氮缺陷位点,利用载体的丰富氮缺陷作为陷阱,有效捕获双单原子金属前驱体,成功制备了具有低负载量(铂为0.32wt%)的双金属铜铂单原子催化剂,并用于光催化CO_(2)还原反应中.结果表明,相比于单原子铂催化剂和单原子铜催化剂,该种双单原子铜铂体系在光催化还原CO_(2)-CO中表现了更好催化活性.在光照3.5 h后,铜铂双单原子体系的CO产量达到41.1μmolg^(-1).除此之外,铜铂双单原子体系在光催化过程中有利于促进CH_(4)生成,在没有任何牺牲剂或共催化剂作用下其CH4的产量为9.8μmolg^(-1),其产率分别是相同光照条件下单原子铂催化剂(3.2μmolg^(-1))和单原子铜催化剂(2.0μmol g^(-1))的三倍和五倍.高分辨透射电镜结果表明,制备的氮化碳呈现了高度晶化的结构.球差扫描透射电子显微镜结果表明,铂和铜物种分别以高度分散的单原子形式存在,且在双金属铜铂单原子体系并未发现铜颗粒和铂颗粒.电化学分析结果表明,通过双配位活性位点的桥梁作用提高光生电子的转移效率,使得铜铂双单原子体系具有更高的电流密度和更好的载流子传输能力.原位X射线光电子能谱结果表明,金属铂和铜单原子成功负载在晶化石墨相氮化碳上,且在光照过程中单原子铂和铜的结合能的电子密度有些许改变,证明了该双金属单原子体系在光催化过程中协同动态光电子的迁移转移;原位红外傅里叶变换光谱实验结果表明,这种稳定的铜铂双单原子体系有利于促进催化还原反应中中间体产物的加氢过程,对终产物的解离和释放有明显的促进作用,从而提高光催化还原CO_(2)反应的活性和选择性.

宽频太赫兹异向介质吸收器研究

利用异向介质吸收器的传输线模型及CST仿真软件对其太赫兹波段的宽频吸收特性进行了研究。结果表明:异向介质吸收器对太赫兹电磁波的吸收主要来源于开口环共振单元(SRR)的LC共振。提出了两种使异向介质吸收器获得宽频太赫兹吸收的方法:一是增加LC共振中的等效电阻R,能有效扩展吸收带宽到100GHz以上;二是通过优化具有双吸收峰的吸收器的结构,使吸收峰相互靠拢并叠加,使吸收率在99%以上的带宽达243GHz。

晶格失配应力对单晶(BiTm)_3(GaFe)_5O_(12)膜磁畴结构的影响

利用液相外延工艺在钆镓石榴石衬底上制得了单晶(BiTm)_3(GaFe)_5O_(12)膜,研究了晶格失配应力对其磁畴结构的影响.研究发现,生长速率越快,膜的晶格常数越大;晶格失配应力可以在一定范围内调整膜的垂直各向异性;随着晶格失配应力由较大张应力逐渐转变为较大压应力,磁畴形状先由磁泡畴转变成迷宫畴,然后转变为过渡态部分弯曲的条状畴,最终转变为整齐排列的条状畴;失配应力同时对畴宽也有影响,膜受到的失配应力越大,畴宽越大.这一实验研究对基于控制晶格失配应力来调控单晶膜的各向异性和磁畴结构有指导意义.

一种宽角度极化不敏感的高可调谐红外超材料完美吸波体（英文）

提出了一种高度可调、宽角度且具有完美吸收和极化不敏感的超材料吸波体.模拟的结果显示,在5.8μm处可达到最高吸收率99.9%;通过改变其几何参数,吸波体的谐振波长在3.4μm到8.6μm的范围内可任意地调节,且都具有不低于95%的峰值吸收率.在横磁波下,当入射角度小于80°时,吸波体的吸收率保持在95%以上;在横电波下,当入射角小于60°时,吸收率保持在92%以上.此外,极化角度在0到90°变化时,吸波体具有极化不敏感性.

基于编码超表面的双向太赫兹多波束调控器件

基于相变材料二氧化钒(VO_(2))和编码超表面技术设计了一种双向太赫兹多波束调控器件。在0.7THz下,通过给予器件热激励控制VO_(2)的相变状态,可使器件在反射和透射两种工作模式间切换。器件温度高于68℃(VO_(2)相变温度)时,VO_(2)相变为金属态,器件工作在反射模式下,对太赫兹波进行高效反射并将入射波分为多束能量近似、方向不同的波束。在常温下,VO_(2)为绝缘态,器件工作在透射模式,对太赫兹波进行高效透射。对反射和透射两个方向波束的动态调控使器件本身不再成为透射或反射波传输的阻碍。这种对太赫兹多波束的动态双向调控在太赫兹无线通信场景中非常有用。

硅基金字塔结构光控太赫兹调制器

提出一种硅基金字塔结构光控太赫兹波调制器。通过化学刻蚀方法在高阻硅基底形成微米级的金字塔结构,研究该结构与高阻硅片对激光的反射率及对太赫兹的调制情况。实验表明,金字塔结构可有效降低激光反射率,提升激光利用率,并且通过增加太赫兹波调制面积,达到显著增强太赫兹波的调制效果,其调制深度达到90%以上。该硅基金字塔结构光控调制器可在极低的激光功率下工作,具有宽带、大幅度调制的特点,在太赫兹成像领域具有重要应用价值。

基于嵌入式实时系统的磁光开关驱动电路设计

设计并制作了薄膜型磁光开关的驱动电路系统,电路系统包括开关电源部分、按键及液晶显示部分、驱动电路部分和软件控制系统部分。开关电源部分为驱动电路提供电压,控制系统部分控制按键操作和液晶显示,并且控制驱动电路输出。电路系统充分利用UC/OS-Ⅱ实时系统,通过软件算法控制切换开关状态,产生正负方波脉冲。结果表明,电路可以在50Hz～30kHz频率范围内实现电流低于2A的输出,频率调节精度达到±2kHz。该电路系统高效简单、精度高、操作界面人性化并且可实现宽频范围内的可变频及可变占空比的功能,具有较高的实用价值。