太赫兹超材料响应频率及频带的调控

自然界中很多材料在太赫兹(THz)频段没有电磁响应,THz超材料的出现为太赫兹技术的发展和应用带来了新的机遇.但目前超材料太赫兹响应的调节方式比较繁琐,影响了理论与应用研究的开展.作者提出一种调制太赫兹超材料响应的简易新方法,即将超材料的结构单元整体按比例地放大和缩小.仿真结果表明,已满足阻抗匹配条件的超材料结构经整体比例变化之后,仍然满足阻抗匹配条件;而且,调整后超材料的吸收频率与尺寸变化的倍数成反比;令人惊奇的是,超材料的响应频带也随着单元尺寸的整体缩小而变宽.通过这种简易的尺寸变化方式,我们可以利用普通的超材料结构,得到一定范围内对任意入射频率具有完美吸收(吸收峰值大于98%)的太赫兹超材料.这种调制方式使超材料的设计变得更加简化,为超材料的理论与应用(特别是在器件中的应用)研究提供了更广阔的空间.

溶胶-凝胶法制备氧化钒薄膜的结构及特性研究

利用溶胶-凝胶法制备了氧化钒薄膜,在大气环境及400℃下、对产物进行不同时间的退火处理。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、高阻仪、紫外-可见分光光度计和傅里叶红外光谱仪,对薄膜的形貌、晶态、电学和光学特性等进行了系统的分析。结果表明,退火时间明显地影响溶胶-凝胶法制备氧化钒薄膜的化学结构及光电性能:退火时间过短,薄膜中有机成分不能完全分解、并且结晶度低;退火1h时,薄膜主要成分为V2O5和VO2,此时薄膜电阻低、但光吸收性弱;退火2h以上,薄膜中的主要成分为V2O5,此时薄膜电阻变大、但光吸收性有所加强。研究了退火时间对溶胶-凝胶制备氧化钒薄膜的化学结构及光电特性的影响,揭示了相关的微观机理。

介质层对超材料太赫兹响应特性的控制规律

作为超材料的重要组成部分,介质层是影响超材料响应特性的关键因素.固定超材料的尺寸和表层金属图形,通过理论推导和仿真模拟详细分析了在太赫兹波段下介质层的介电常数和厚度两个参数对超材料响应特性的控制规律,并首次确定了响应频率与介电常数的关系方程.结果表明,在其他参数不变的情况下,超材料的响应频率主要取决于介质层的介电常数的实部大小,而其吸收率则主要取决于介质层的厚度.据此,提出一种设计超材料的新方法:首先将设计要求的响应频率代入频率方程计算出相应介质层的介电常数,由此挑选合适的介质材料;然后固定介电常数、调节介质层厚度,获得在特定频率具有特定吸收率的超材料.

有机官能团的太赫兹光谱特征研究

采用傅里叶远红外光谱仪(FTIR),在室温条件下测量了多种饱和直链有机小分子的太赫兹光谱。测试结果显示,有机官能团的差异导致有机物的太赫兹光谱特征显著不同。其中,有机物的晶格振动吸收峰和分子间氢键的振动吸收峰分别位于太赫兹高频和低频波段。而且,饱和直链一元醇的—OH官能团产生的分子间氢键的特征峰位于57cm-1,而三十烷酸的—COOH官能团产生的分子间氢键的特征峰则位于74cm-1。分子间氢键使三十烷醇和三十烷酸对太赫兹辐射的吸收能力明显地强于三十烷烃。相比于三十烷醇,三十烷酸的太赫兹特征峰还发生有规律的红移和蓝移现象。此外,还采用密度泛函理论B3LYP/6-311G(d,p)基组对饱和直链烷烃、烷醇和烷酸的太赫兹光谱进行了仿真计算,发现分子间氢键作用越强的有机物的单体分子的仿真结果与实测光谱的吻合程度越低。二聚体结构的仿真结果与实测光谱的吻合程度明显地高于单分子结构。研究结果对利用FTIR研究其他有机官能团的太赫兹光谱特征、探索有机分子内部的振动模式、探究有机物太赫兹响应的物理原理及器件应用等具有重要意义。

饱和一元醇远红外光谱的测试及仿真研究

用衰减全反射傅里叶光谱仪(FTIR-ATR)在室温条件下测试了甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇及异丁醇六种饱和一元醇在30~300 cm^(-1)波段的远红外透射光谱。通过分析这六种具有类似化学结构的一元醇的远红外透射光谱,发现它们在30~150 cm^(-1)波段均有明显的吸收峰,但在150~300 cm^(-1)波段吸收峰不明显;羟基在一元醇中的质量百分比越高,相关一元醇的远红外光谱的平均透过率越低;直链一元醇的光谱平均透过率高于支链状的同分异构体。采用密度泛函理论B3LYP/6-311G(d,p)基组对甲醇单体和多聚体进行结构优化和频率计算。计算显示,在30~150 cm^(-1)波段甲醇单体分子没有出现吸收峰,但是甲醇的多聚体则出现明显的吸收峰,计算得到的多聚体吸收峰位置与实际测量的结果相符合。结果表明,甲醇在太赫兹波段吸收的来自于不同形式聚合体的集体振动,甲醇溶液以甲醇三聚体为主要的存在形式。本成果不仅为研究有机分子在太赫兹波段的频率响应提供了新的实验方法,而且对进一步利用FTIR-ATR研究其他有机分子具有借鉴意义。

氧化钒-碳纳米管复合薄膜的制备及特性

提出了一种制备氧化钒热敏电阻薄膜的新方法。采用紫外光和过氧化氢相结合的方法,对多壁碳纳米管进行功能化处理,然后通过溶胶-凝胶法,使功能化碳纳米管与V2O5相复合,制备氧化钒-碳纳米管复合薄膜。与单纯的氧化钒薄膜相比,氧化钒-碳纳米管复合膜的薄膜方阻和光学带隙发生减小,而电阻温度系数(TCR)和光吸收率相应增大。复合膜还具有更高的载流子迁移速率,更加适合应用到红外探测器当中。

溶胶凝胶制备氧化钒薄膜的生长机理及光电特性

采用溶胶凝胶法,在不同的退火温度下制备了不同的氧化钒薄膜.利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、高阻仪、紫外-可见分光光度计和傅里叶红外光谱仪等,对薄膜的形貌、晶态、电学和光学特性进行了分析.结果表明,溶胶凝胶法获取V2O5薄膜的最佳退火温度为430℃,低于此温度不利于使有机溶剂充分分解,高于此温度则V—O键发生裂解、形成更多的低价态氧化钒.本文制备的氧化钒薄膜具有较高的电阻温度系数和光吸收率,适合应用在非制冷红外探测器中.本文揭示了溶胶凝胶法制备氧化钒薄膜的生长机理.