基于Morse势的可重建有限温度下太赫兹吸收谱的半经验模型

太赫兹吸收谱起源于对材料低频振动模或低频声子模的激发,强烈依赖于体系的化学组成和微观结构,它是材料的一种指纹特性.太赫兹振动激发能较低(0.414~414 meV),导致振动模对应的势能面较浅,且振动激发态可通过热涨落占据.较浅的势能面通常导致振动模非谐性较强,使得激发态吸收发生红移;结合较为明显的振动激发态占据,在温度升高时,太赫兹特征信号通常发生不同程度的红移.本文基于第一性原理振动分析,结合已有的低温太赫兹实验谱和Morse势函数,发展了一个半经验模型,用于描述低频振动模的非谐性效应.通过对嘌呤分子晶体的测试,模型可以重现不同温度下的太赫兹吸收谱;对实验结果的准确预测表明,该模型可用于分子晶体的太赫兹光谱表征.

葡萄糖与果糖太赫兹吸收谱仿真计算

利用Gaussian软件,选取密度泛函理论(DFT)、哈特里—福克理论(HF)对葡萄糖、果糖的单分子在0~3 THz波段的吸收谱进行仿真计算,并与参考文献中的实验结果进行比对。仿真计算结果验证了利用Gaussian软件进行单分子吸收谱计算的可行性。最后基于密度泛函理论得到的结果分析了不同位置吸收峰对应的分子内振动模式。

基于量子化学计算的谷氨酰胺太赫兹吸收谱模拟

利用量子化学计算方法模拟物质的太赫兹吸收谱,可以为目标物质的太赫兹吸收特征匹配分子振动模式,对深刻理解谱的形成机理十分必要。模拟结果的可靠性,主要取决于目标物质初始构型的搭建和振动模式计算方法的选择。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺固态样品的太赫兹吸收谱,为了在理论模拟过程中体现考虑分子间作用的程度,构建了三种常用于有机物太赫兹吸收谱模拟的谷氨酰胺初始构型,单分子、二聚体、晶胞。使用量子化学计算程序基于密度泛函理论对三种初始构型进行了结构优化和振动模式计算。将计算结果通过洛伦兹线型函数拟合为吸收谱与实验吸收谱进行对比发现,二聚体构型的模拟吸收谱从吸收峰个数上优于单分子构型,在此基础上,晶胞构型模拟结果从吸收峰峰位上又较二聚体构型有了明显的改进,随着初始构型考虑分子间作用的程度提高模拟结果逐步逼近实验吸收谱。在得到了可靠的理论模拟吸收谱的基础上,成功对谷氨酰胺固态样品在0.3～2.6THz范围内的三个吸收峰匹配了晶胞内各分子的集体振动模式。研究表明,在固体样品的太赫兹吸收谱理论模拟中,在计算能力允许的情况下,应尽可能选择全面反映分子间作用力的晶胞构型作为计算的初始构型。

基于超材料的多频带可调谐太赫兹吸收器

设计了一种多频带可调谐的太赫兹超材料吸收器。在超材料吸收器的结构中,引入光敏半导体硅材料,设计特殊的顶层金属谐振器,分析开口长度、线宽、介质层厚度等参数尺寸对太赫兹超材料吸收器的吸收光谱特性影响。根据光照与光敏半导体硅电导率之间的关系,研究太赫兹超材料吸收器的频率调谐特性。仿真结果得到太赫兹波段的12个吸收频率调制,其中有10处吸收峰的吸收率超过90%近完美吸收,且有6处吸收率达到99%的完美吸收,而且吸收率调制深度和相对带宽分别达到85.9%和85.5%,具有很强的可调谐特性。设计的光激励太赫兹超材料吸收器结构简单,具有多频带可调谐和完美吸收特性,扩大了吸收器的应用范围。

基于三层光栅结构的超宽带太赫兹吸收体

基于等效介质膜理论及多层减反膜原理设计了用于超宽带太赫兹吸收体的三层微结构光栅，光栅基质采用重掺硼硅材料．用有限时域差分法分析了光栅周期、光栅宽度和深度对太赫兹吸收体反射系数的影响．数值分析结果表明，在低于3THz波段，吸收率高于98％的带宽为1．3THz，吸收率高于95％的带宽达2．1THz．用严格耦合波理论对该三层光栅的高吸收现象进行理论分析，分析结果表明，光栅多级衍射的相互作用减少了入射面的反射率，增大了该吸收体的吸收率．进一步优化三层光栅微结构的参量，在0．6～6THz范围内实现了大于95％的太赫兹吸收．基于光栅结构的吸收体结构简单，易于设计与分析，可以应用于太赫兹成像与探测应用领域．

苏氨酸不同分子构型太赫兹吸收峰的量子化学指认

与红外、紫外和拉曼光谱相比,太赫兹光谱能量低,在待测物质中不会出现有害光致电离现象,伴随太赫兹技术的不断成熟,太赫兹波已经成为常用的无损检测用波。很多生物大分子在高频光波探测下具有指纹性,太赫兹时域光谱技术是对生物大分子无损检测的最佳手段。同时,不同生物分子在太赫兹吸收谱中呈现出各不相同的吸收峰,获得待测物质的太赫兹吸收谱后,与标准谱进行对照可以为待测物质做出定性辨识。在此基础上,结合最小二乘法、支持向量机等数据处理技术还可以实现基于太赫兹时域光谱对待测物质的定量分析。量子化学分析方法应用了量子力学的基本原理和方法,其中电子分析理论从电子角度出发,在分析大分子或原子个数众多的体系时近似误差较小,并且密度泛函理论不依赖实验数据和先验知识的支撑。通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定的参考性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,能验证实验结果的准确性。首先利用太赫兹时域光谱系统获取进口苏氨酸样品的太赫兹吸收谱,其次分别构建苏氨酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子、二聚体和晶胞三种构型,并利用量子化学计算方法完成了每种构型的结构优化,最后计算三种苏氨酸分子构型的太赫兹吸收谱。结果表明,单分子构型和二聚体构型的太赫兹计算谱与实验谱差异较大,但在高频段计算谱与实验谱的吸收峰峰位基本吻合,而较为全面反映分子间氢键及范德华力作用的晶胞构型计算谱与实验谱则较为吻合。同时表明,与样品结构较为一致的、保持苏氨酸物理性质的最小结构为晶胞。

缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器

提出一种多缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器,它由上表面金属图案层、基体和底层金属板三层结构组成,在上表面和基体之间嵌入二氧化钒介质.计算结果表明在f=4.08 THz和f=4.33 THz两频点吸收率分别为99.8%和99.9%.通过改变外界环境温度可控制二氧化钒相变,从而使两个频点吸收率从99.8%变化到1.0%.改变入射角和偏振态,计算结果表明在入射角0°-40°,吸收器在TE和TM两种极化波下吸收率都能在98%以上.该太赫兹波吸收器具有高吸收、动态调谐、极化不敏感等特性,本文所设计的可调太赫兹吸收器在太赫兹波相关领域,例如探测器、开关、动态调制器、隐身技术等方面具有很好的应用前景.

炙没药颗粒的不同尺寸对太赫兹吸收光谱的影响

一般来说,当粒子线度a与光波长λ可以比拟(a/λ数量级为0.1~10)甚至更大时,会产生米氏散射,导致无法有效检测高频波段太赫兹光谱的吸收峰以及会引起光谱重复性和信噪比的降低。本文分别用远红外傅里叶变换红外光谱仪(Far-infrared Fourier transform infrared spectrometer,Far-infrared FTIR,30~600cm-1)和太赫兹时域光谱仪(Terahertz time-domain spectrometer,THz-TDS,0.2–3.5THz),对4组不同颗粒尺寸的炙没药进行测试,得到的低频吸收峰位置基本相同。由于米氏散射影响,在385cm-1以后,无法有效检测吸收峰波形。通过计算协方差发现,随着药品颗粒尺寸减小,散射对于太赫兹吸收光谱影响越小,即光谱重复性越好,信噪比越高。

黑索金太赫兹吸收光谱仿真与形成机理的研究

针对目前无法准确仿真黑索金(RDX)太赫兹吸收光谱以及难以对其吸收峰进行解析的现状,提出一种将RDX二聚体作为初始构型的仿真方法.首先,借助量子化学软件Gaussian 09对RDX单分子、二聚体进行结构优化、光谱计算,并搭建了太赫兹时域光谱系统对RDX进行了太赫兹吸收光谱测量.其次,结合可视化模块分析了RDX太赫兹吸收光谱的产生机理.经对比实验与仿真结果,RDX二聚体构型的仿真太赫兹吸收光谱在吸收峰个数、位置以及谱线符合度方面均比单分子模型更准确,更适宜作为光谱仿真的初始构型,同时可知,RDX太赫兹吸收光谱是由分子内振动、分子间相互作用以及晶格振动共同引起的.

可调谐四宽带太赫兹吸收器设计

设计了一种四宽带且吸收率动态可调的太赫兹吸收器,该吸收器结构简单,由顶层二氧化钒、中间层二氧化硅和底层金属组成。仿真结果表明,在0~10 THz范围内,吸收率超过90%的吸收带共有4个,带宽分别为0.87、0.58、0.61、0.45 THz。随二氧化钒电导率的变化,吸收率可在7.7%~99.9%范围内动态调节。引入阻抗匹配理论和法布里-珀罗共振理论解释了吸收器的物理机理,并通过电场分布分析了多个完美吸收峰的物理来源。此外,该吸收器还具有偏振不敏感和广角吸收的特点,可在微辐射计、生物传感器和隐身技术等领域应用。

亮氨酸与异亮氨酸太赫兹光谱的振动模式分析

氨基酸是含有碱性氨基和酸性羧基的有机化合物,是构成蛋白质的基本单位,其种类,数量和排列直接影响蛋白质的生物功能,对维持机体功能有重要意义。氨基酸分子间振动模式(扭转,氢键和集体振动)大部分处于太赫兹(THz)波段,表现出独特的吸收特征,因此,对氨基酸进行THz光谱研究,能够更全面了解生物特性。总结前人实测的亮氨酸与异亮氨酸位于0.2~2.6 THz波段的吸收谱,同时,利用量子化学计算方法解释其形成机理。使用Gaussian09软件对单分子构型模拟计算,模拟方法为半经验法(PM6),从头计算法(HF,MP2)和密度泛函理论(B3LYP,M06-2X)结合6-311+G(d,p)高斯型基组;使用Materials Studio 2019软件对晶胞构型模拟计算,模拟方法为广义梯度近似的PBE,PBEsol,RPBE和WC等四种密度泛函结合平面波基组。结果表明:单分子构型模拟均缺少吸收峰位,不同方法对同一振动模式的峰位计算不同,因此,对分子间相互作用较强的结构,进行单一方法的该构型模拟,很大程度不能正确匹配振动模式,且受原子轨道线性组合方法影响,与输入结构相比,输出结构由COO^(-)和NH_(3)^(+)基团变为COOH和NH_(2),无法体现实际振动模式;晶胞构型模拟对分子内和分子间振动模式描述,吸收峰位与实测值匹配较好,不存在质子转移情况,较好指认实测峰位的振动模式。亮氨酸与异亮氨酸使用PBEsol泛函计算结果最接近实测值,说明模拟计算需充分考虑结构与泛函的匹配性,即对结构交换关联能的描述,也说明同一泛函对异构体的普适性,此外,不能以结构优化后差异作为判断泛函是否适用的标准。晶胞构型计算结果包含分子间振动模式,是单分子构型无法得到的结果,且数据进行半峰全宽拟合,导致两种构型结果在某一实测峰位处的振动模式存在差异。

基于二氧化钒的可调双宽带太赫兹超材料吸收器

基于VO_(2)的相变特性提出一种具有双宽带特性的太赫兹超材料吸收器,包括对角放置的VO_(2)图案层、电介质层以及金反射层共3层结构。对吸收器的结构建模、吸收效果及吸收特性等进行了仿真分析,仿真结果表明,所设计吸收器吸收率大于90%的两个带宽分别为0.73 THz和0.6 THz。在通过热控制诱导VO_(2)从绝缘态到金属态的相变过程中,吸收率分别在31%~93.1%和30%~95.2%之间实现连续可调。另外,通过研究不同偏振角及入射角下所设计超材料吸收器的吸收性能发现,该吸收器具有偏振无关、偏振不敏感以及大入射角吸收特性。所设计吸收器有望在如太赫兹通信、成像和探测器等利用太赫兹波段领域得到广泛应用。

用支持向量机识别毒品的太赫兹吸收光谱

在采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对9种常见毒品纯品和3种混合物进行实验研究,并得到它们在0.2～2 THz频率范围的特征吸收光谱的基础上,用支持向量机(SVM)对毒品纯品和混合物的太赫兹吸收光谱进行了识别分类。用归一化预处理后的9种毒品和面粉的太赫兹吸收光谱训练libsvm模型。选用与训练光谱不同时间测得的毒品和混合物的太赫兹吸收光谱作为检测光谱,经过归一化预处理之后分别输入到训练好的libsvm模型中进行识别,识别率达100%。识别结果充分表明,用支持向量机可以实现对不同种类毒品的识别和鉴定,为太赫兹光谱技术用于毒品的检测和识别提供了另一种有效的方法。

基于超材料的可调谐的太赫兹波宽频吸收器

随着频谱资源的日益稀缺,太赫兹波技术在近十几年的时间里得到了越来越多的关注,并取得了巨大的进展.由于高吸收、超薄厚度、频率选择性和设计灵活性等优势,超材料吸收器在太赫兹波段备受关注.本文设计了一种"T"型结构的超材料太赫兹吸收器,同时获得了太赫兹多频吸收器和太赫兹波宽频可调谐吸收器.它们结构参数一致,唯一的区别是在太赫兹波宽频可调谐吸收器的顶端超材料层上添加了一块方形光敏硅.这种吸收器都是三层结构,均由金属基板、匹配电介质层以及顶端超材料层组成.仿真结果表明,太赫兹波多频吸收器拥有6个吸收率超过90%的吸收峰,其平均吸收率高达96.34%.而太赫兹波宽频可调谐吸收器通过改变硅电导率,可以控制吸收频带的存在与否,同时可以调整吸收峰的频率位置,使吸收峰频率在一个频带宽度大约为30 GHz的范围内调整.当硅的电导率为1600 S/m时,吸收率超过90%的频带宽度达到240 GHz,而且其峰值吸收率达到99.998%.

基于石墨烯超材料的宽频带太赫兹吸收器

为了拓展太赫兹吸收器的相对吸收带宽,设计了一种基于石墨烯超材料的超薄、宽频带、可调谐的太赫兹吸收器,其由图案化石墨烯层、电介质层和金属反射底板层叠构成。仿真结果表明:该吸收器在4.48 THz频率处的吸收率为99.98%,通过调节石墨烯的化学势可使该频点处的吸收率变化至25.08%;同时,该吸收器表现出对入射波极化不敏感的吸收特性,且在太赫兹波倾斜入射的情况下仍能保持一定的宽频带吸收特性。在此基础上设计了基于三层图案化石墨烯的太赫兹吸收器,其可进一步拓展吸收频带宽度,仿真结果表明该吸收器在1.90~5.49 THz频率之间的吸收率高于90%,相对吸收带宽为97%。

太赫兹时域光谱技术探测亮氨酸和异亮氨酸的低频集体吸收谱

氨基酸同分异构体的检测对食品安全和药品药性控制有重要意义。亮氨酸与异亮氨酸是同系的同分异构体,它们具有相似的化学结构,但物理化学性质有很大的差别。区分氨基酸同分异构体的常见的检测方法常用气相色谱、液相色谱、毛细管电泳、液质联用、色质联用等。但上述方法样品需要进行衍生化处理,很难快速、高效、无损的检测检测氨基酸的同分异构体。太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率在0.1~10THz频段的电磁辐射,该技术可以反映物质的结构和构型。生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键的振动和转动能级有关的偶极跃迁相关,可以利用分子偶极跃迁进行指纹识别。本文研究了太赫兹时域光谱技术在室温条件下的亮氨酸和异亮氨酸样品的光谱特征。结果表明亮氨酸和异亮氨酸样品在这个波段存在不同的光谱响应,可以用来探测分子的结构和振动情况从而区分结构差异小的同分异构体。本文还利用B3LYP杂化密度泛函的自洽场晶体轨道法对亮氨酸和异亮氨酸周期性结构进行了理论研究和光谱计算。通过比较实验和理论结果,并对获得的频谱进行了解析,计算得到的峰位与实验结果能够互相印证。

可调谐极化不敏感太赫兹吸收器的设计

太赫兹吸收器广泛应用于军事装备及传感仪器等研究领域,因此,提出了一种四重对称结构的极化不敏感太赫兹超材料吸收器,并通过改变结构尺寸以及电流分布分析了该结构的吸收机理及影响因素。实验结果表明,该吸收器的谐振频率处于太赫兹频段且吸收率可达到99.98%。为了扩大该太赫兹吸收器的应用范围,进一步提出了两种频率可调的极化不敏感太赫兹吸收器。电磁仿真软件CST的仿真结果表明,该太赫兹超材料吸收器的吸收率较高、频率调节性能较好且对极化角度不敏感,具有较大的应用研究意义。

基于锑化铟的双频可调窄带太赫兹吸波器

本文通过三维全波电磁仿真软件模拟计算得到该吸收结构的吸波性能:在入射方向平行于z轴和四个锑化铟圆柱温度均为T=270K的情况下,在共振频率3.1576THz和3.3877THz处得到两个吸收峰值,分别对应96%和99.9%的吸收率,并且改变锑化铟圆柱的温度会使这两个吸收峰值既可以实现同时调节也可以实现单独可调,即分别同时调整和对应对角线改变锑化铟圆柱的温度,并且结构参数的变化也会使得共振频率发生变化。该结构为设计可调频带吸收器提供了新的思路,在多幅调制器、成像和传感等领域具有广阔的应用前景。

基于石墨烯的双频可调太赫兹吸波器

通过对2个石墨烯圆盘同时设置不同的化学势以及保持一个圆盘化学势不变,将另一个圆盘设置不同的化学势,分别实现了双频吸收器结构共振频率的同时调节和每一个频率的单独调节。同时该结构为极化不敏感吸收器,并且在60°范围内都能保持较好的吸收效果。该结构为设计可调频带吸收器提供了新的思路,在多幅调制器、成像和传感等领域具有广阔的应用前景。

丙氨酸晶体太赫兹振动光谱的实验和理论研究

利用太赫兹时域光谱和低频拉曼光谱仪研究了丙氨酸晶体在0.2-2.6THz范围内的太赫兹吸收和拉曼散射光谱.研究表明:在该低频范围有四个振动模式,其中两个只具有拉曼活性,其余两个同时具有红外和拉曼活性.基于B3LYP杂化密度泛函的自洽场晶体轨道法对丙氨酸周期性结构进行了理论研究和光谱计算.通过比较实验和理论结果,指认了实验光谱特征峰所属的不可约表示.通过理论计算得到的图形,得出在此低频范围的振动模式主要包含分子间氢键的扭转和摇摆运动.