太赫兹时域光谱技术在材料科学领域研究进展

太赫兹时域光谱技术是一种研究材料中载流子超快动力学过程及光电导率特性的重要实验手段。近年来,随着材料科学的飞速发展,人们应用太赫兹时域光谱技术研究了包括二维层状材料、钙钛矿材料和碳基低维材料等新型材料中光生载流子、激子和极化子等粒子及准粒子在皮秒时间尺度上的超快动力学过程及在太赫兹波段的光电导特性。本文主要介绍近5年来太赫兹时域光谱技术在材料科学领域取得的最新研究进展,并对太赫兹时域光谱技术在材料科学领域的应用做出展望。

两个多酸基镧系(Eu、Tb)双膦酸酯配合物的合成、物化性质和太赫兹时域光谱

在乙腈和去离子水的混合溶剂中合成了2个新的多酸基镧系双膦酸酯配合物[Eu(L)_(4)]PW_(12)O_(40)·2CH_(3)CN (1)和[Tb(L)_(3)(H_(2)O)]PW_(12)O_(40)(2)(L=亚乙基二膦酸四乙酯),并通过单晶X射线衍射、元素分析、红外光谱、粉末X射线衍射、热重分析和太赫兹时域光谱对2个配合物的性质进行了表征,分析了配合物的晶体结构及分子间弱作用力,研究了配合物的发光等性能。单晶结构表明,配合物1是以Eu(Ⅲ)为中心、L为配体螯合形成的扭曲四方反棱柱结构。配合物2是以Tb(Ⅲ)为中心、L和H_(2)O为配体形成的扭曲单帽八面体结构。发光光谱表明配合物1和2所有的发射峰来源于金属内部的电荷迁移。此外,太赫兹时域光谱对配合物1和2的结构和发光的分析提供了帮助。

太赫兹时域光谱成像系统的研究进展

太赫兹时域光谱成像技术具有穿透性、超快时间分辨能力、指纹光谱特性、安全无辐射电离等显著特点,在物质成分光谱分析、工业材料无损检测领域具有独特的应用价值,成为近些年来的研究热点。基于此,从成像体制和成像算法两个方向进行介绍。在成像体制层面,全面介绍了逐点扫描成像、太赫兹焦平面成像、太赫兹光电导阵列成像等二维的成像方式,以及突破衍射极限的太赫兹近场成像技术;在成像算法层面,介绍了飞行时间成像和断层扫描成像技术等三维成像方式。列举了太赫兹技术在生物医学、无损检测、安防检测等领域的应用。最后总结了当前太赫兹时域光谱技术所面临的问题。

基于太赫兹时域光谱的XLPE不同尺度缺陷研究

交联聚乙烯(XLPE)在生产、敷设、运行过程中会受到多种因素影响,产生不同尺度的结构缺陷,进而影响XLPE的电气性能。本文对XLPE电力电缆中常见的分子缺陷、聚集态结构缺陷与宏观气隙缺陷进行了重构,并结合X射线衍射测试(XRD)与太赫兹时域光谱(THz-TDS)的透射和反射模块对3种尺度的缺陷进行表征。结果表明:太赫兹时域光谱的电压幅值、相位信息分别表现出关于极性分子与聚集态结构变化的敏感特性;通过太赫兹时域光谱透射与反射模块的联用技术,可精准识别并计算出内部气隙缺陷的位置及尺寸,实现对不同尺度缺陷的无损检测。

太赫兹时域光谱技术在涂层检测中的研究进展

涂层结构具有美观、隔热和耐腐蚀等优点,被广泛应用于航空航天、汽车船舶制造和制药等领域。但在涂层制备和服役过程中会不可避免地出现气泡和裂纹等缺陷,且涂层厚度和均匀性会直接影响涂层寿命,因此对涂层结构的检测显得十分重要。与常规无损检测技术相比,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术非接触性好、抗干扰性强,适用于涂层结构快速无损检测。首先,简要地介绍了太赫兹波、太赫兹时域光谱技术和典型的太赫兹时域光谱系统;然后,详细地阐述了太赫兹时域光谱技术在光学参量、厚度和微结构检测方面的国内外研究进展,特别是太赫兹波在汽车船舶、航空航天和生物制药方向的厚度检测与成像;最后,分析了涂层结构无损检测的现状,对现有的太赫兹波检测涂层存在的问题进行了总结,并对其未来的发展进行了讨论和展望。

太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准技术

光谱范围和信噪比是评价太赫兹时域光谱仪性能的重要参数。为了解决太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比的校准问题,介绍了太赫兹时域光谱仪的构成及原理,比较了目前常用的光谱范围和时域信噪比校准方法的优缺点,并优选其中一种方法,设计了太赫兹时域频域信噪比参数校准方法。以空测时频域信号幅值最大值的1/M对应的频率范围作为光谱范围,研究了M取值对光谱范围的影响。M值越大,则光谱范围越宽。当M值≥50时,光谱范围变化不大。对空测时域信号的信号和噪声进行定义,并计算出时域信噪比。以空测时的频域功率谱作为信号,以金属板遮挡光路时的频域功率谱作为噪声,从而计算出频域信噪比。进行了光谱范围和信噪比校准实验,采用对照法研究了湿度变化对太赫兹时域光谱仪测量范围和信噪比参数的影响。当相对湿度≤50%时,对光谱范围和时域信噪比影响不大;当相对湿度>50%时,因为空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加,光谱范围和信噪比急剧缩小。

太赫兹时域光谱法测定水中重金属离子

采用太赫兹时域光谱法采集溶液时域数据,经过去噪和时域分析,汞、镉、铜离子溶液分别在频率为1.7 THz、0.7 THz、1.2 THz位置上建立线性模型,得到拟合效果最佳的决定系数,分别为0.969、0.896、0.932。该方法检出限为0.001 mg/L~0.002 mg/L,空白加标样6次测定结果的RSD为2.0%,加标回收率为94.0%~102%。将该方法用于测定某污水处理厂两个进口的实际水样,结果汞离子未检出。

基于太赫兹时域光谱技术的名贵动物药材龟甲的真伪品鉴别

目的:建立一种利用太赫兹时域光谱和多种化学计量学方法鉴别龟甲真伪的新方法。方法:选用正品乌龟和伪品红耳彩龟的腹甲进行实验,先用经典的性状鉴别、显微鉴别方法比较两种样品的典型性状特征,后利用太赫兹时域光谱仪测得样品的光谱信息,对样品谱图进行平滑处理和基线校准,并运用化学计量方法进行数据分析以区分正品和伪品龟甲。结果:性状鉴别结果显示完整正、伪品龟甲样品仅有细微差异,且其碎片或粉末基本无差异;显微鉴别未在两种样品中发现明显的特征差异性结构;两种样品的太赫兹时域光谱曲线图经快速傅里叶变换滤波器平滑滤波处理、正交偏最小二乘法判别分析处理后呈现显著差异。结论:利用太赫兹时域光谱技术结合正交偏最小二乘法判别分析可以实现龟甲真伪品的精准鉴别。

太赫兹时域光谱技术研究S掺杂GaSe晶体的电导率特性

本文采用透射式太赫兹时域光谱技术研究0.3—2.5 THz范围内本征GaSe,S掺杂质量分数为2.5%GaSe(GaSe:S(2.5%))和S掺杂质量分数为7%GaSe(GaSe:S(7%))晶体的电导率特性,并利用Drude-SmithLorentz模型对复电导率进行拟合.研究发现GaSe晶体的电导率实部随S掺杂浓度的增大而减小,主要是由于S掺杂使GaSe晶体的费米能级逐渐向电荷中性能级转移,载流子浓度下降引起的.本征GaSe和GaSe:S(2.5%)在约0.56 THz处有明显的晶格振动峰,而GaSe:S(7%)在0.56 THz附近无晶格振动峰,这主要是由于S掺杂提高了晶体的结构硬度,减弱了晶体的层间刚性振动.且3个样品均在约1.81 THz处存在明显的窄晶格振动峰,强度随S掺杂浓度的增大先减小再增大,主要是由于S掺杂降低了GaSe的局部结构缺陷,减弱了窄晶格振动峰强度,而过量的S掺杂生成β型GaS晶体,进而增加晶体的局部结构缺陷,窄晶格振动峰强度随之增强.GaSe晶体约在1.07 THz和2.28 THz处的宽晶格振动峰强度随S掺杂浓度的增大而减弱甚至消失,主要是由于S掺杂产生替位杂质(S取代Se)和GaS间隙杂质,降低了基频声子振动强度,从而减弱了晶体二阶声子差模引起的晶格振动.结果表明,S掺杂可以有效抑制GaSe晶体的晶格振动,降低电导率,减少在THz波段的功率损耗.此研究为低损耗THz器件的设计和制作提供重要的数据支撑和理论依据.

反射式太赫兹时域光谱技术快速辨别水性和溶剂型涂料

采用反射式太赫兹时域光谱技术测试涂料的时域光谱,通过第1次反射和第2次反射的反射峰比值,得到判定涂料为水性还是溶剂型的临界阈值。该方法无需复杂的样品前处理,仅需将涂料置于测量容器中即可完成测试。一次性纸杯或聚乙烯塑料容器、不同的测试人员和测试时间对临界阈值均无影响,为生态环境监管领域提供了一种快速、准确辨别水性涂料和溶剂型涂料的方法。

食品检测中太赫兹时域光谱技术的应用

在当今的食品检测过程中,太赫兹时域光谱技术发挥着至关重要的作用。为实现此项技术的良好应用,本文特以红薯淀粉中的明矾添加剂检测为例,对太赫兹时域光谱技术的具体应用进行分析。希望通过本次的分析,可以为太赫兹时域光谱技术的应用与食品检测质量的提升提供一定参考。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第12期专栏征稿主题:太赫兹成像感知技术

成像是人类认识世界最直接的方式,太赫兹波作为最后一个被开发的电磁波段,为科学探索和工业应用提供了新的视野,其包含的物质指纹,可作为分子级的识别手段。受限于波长的物理尺度,其成像分辨率距离人们的期望还有一定距离;太赫兹光谱传递了什么信息、该如何应用,仍需要深入探索。本专题拟对此进行探讨。

太赫兹时域光谱技术定量检测含能材料研究

为了快速准确检测含能材料,基于大多数含能材料分子的振动和转动能级都处于0.1~3.0THz频率范围,开展了采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术检测爆炸物的研究。针对3类10种典型含能材料,测试了其太赫兹吸收光谱,指认了每种含能材料特征峰,丰富了含能材料的太赫兹吸收光谱数据库;并通过线性拟合,根据硝基或分子晶格振动所致的太赫兹特征吸收峰强度,对每种含能材料建立了定量分析的方法。

基于太赫兹光谱的大鼠脑缺血早期诊断技术的研究

脑缺血是一种常见的突发性脑外科疾病,具有较高的致死致残率,快速、准确对脑缺血程度进行检测对脑缺血的诊断与治疗工作具有重要意义。基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术,分别对脑缺血时间为0,0.5,1,2,4,6和24 h的大鼠脑脊液和血清进行光谱检测,并对不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数和折射率随缺血时间的变化规律进行分析。结果表明,与对照组相比,不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数和折射率均存在一定的差异。在此基础上,根据不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数,采用主成分分析法和机器学习算法对大鼠的脑缺血程度进行自动分类识别。其中,基于脑脊液吸收系数的支持向量机分类模型的识别准确率相对较高,达到了89.3%。该方法为脑缺血的早期诊断提供一种新的检测方法。

太赫兹光谱结合特征选择算法分选掺混稻种

农业生产安全是食品安全的重要组成,粳米作为日常食用的大米,劣质掺混种子的快速检验是相关领域的重要研究工作。本研究使用太赫兹时域光谱采集220份掺混稻种和纯品稻种样本的光谱信号,通过傅里叶变换(Fourier transform, FT)对光谱数据进行预处理,将时域信号转化为频域信号作为建模数据集,对QUSET等5种模式识别模型进行分选研究。结果表明,随机森林算法(RF)、连续投影算法(SPA)、变量集群分析耦合迭代保留算法(VCPA-IRIV)等3种算法分别选择9个、6个、25个重要的特征频率,其中VCPA-IRIV作为耦合算法选择的特征频率包含的光谱信息最为丰富。为进一步优化模型,对特征频率选择后建模,在分析速度和识别精准度上显著优于全光谱建模方法,经VCPA-IRIV算法筛选的25个特征频率建立的QUEST和KNN分类对是否掺混的鉴别准确率均能达100%。变量集群分析耦合迭代保留算法能够有效地选择包含信息丰富的太赫兹光谱特征频率,能够有效提升所建立的识别模型的准确率。基于太赫兹光谱和耦合特征选择算法建立的掺混稻种识别模型快速、准确,能够为检测劣质掺混粳米种子提供新的方法。

热老化对润滑脂太赫兹光谱影响的实验研究

为研究润滑脂热老化温度与其太赫兹光谱之间的内在规律,应用透射式太赫兹时域光谱仪采集经过不同温度静态加速热老化实验处理的润滑脂样品的时域光谱,计算得到样品在0.4~1THz的太赫兹频域光谱,分析了热老化温度对润滑脂太赫兹光谱和相关太赫兹特征参数的影响。通过实验发现,热老化温度与润滑脂样品时域谱正向最大峰值、频域谱平均绝对值之间均存在良好的线性关系,且与频域谱平均绝对值的线性相关关系最强,相关系数R2为0.9979。研究结果可为后续润滑脂热老化程度的快速、准确、无损定量检测方法研究提供重要参考。

GaN薄膜的太赫兹光谱响应研究

目前,太赫兹时域光谱(THz-TDS)已经成为研究固体光学参数及色散关系的有效工具。采用太赫兹时域光谱仪对纤锌矿结构GaN薄膜在0~8.0 THz范围内的吸收光谱、介电常数、折射率以及介电损耗等进行了研究。研究结果表明,频率为4.65 THz的太赫兹响应是由GaN的E2(low)声子振动模式主导的,获得的低频介电常数8.9和高频介电常数6.0与理论值接近;进一步研究了频率在4.24~4.40 THz之间的太赫兹介电常数响应谱,获得的GaN薄膜的中心振动频率与太赫兹吸收光谱一致,介电损耗值很小且逐渐趋近于0,表明GaN有良好的介电特性。得出的结论拓展了GaN基电子元器件在THz波段中的应用,对进一步研究GaN基电子元器件在THz波段的质量与可靠性具有借鉴意义。

肉桂酸衍生物的太赫兹光谱及弱相互作用分析

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)测试了对羟基肉桂酸(PCA)、反式-2-羟基肉桂酸(OCA)和4-氟肉桂酸(4-FCA)三种肉桂酸的衍生物(CADs)在0.5~3.5 THz范围内的吸收峰。基于密度泛函理论(DFT),借助振动模式自动关联判定方法(VMARD)对三种样品THz吸收峰的来源进行了指认。最后采用分子力场能量分解法(EDAFF)分析了分子体系的弱相互作用力形式,通过VMD绘制原子着色图进行了可视化分析,并研究了其原子在分子体系中对弱相互作用力的贡献类型和强弱。研究结果表明,基于THz-TDS、DFT与VMARD、EDA-FF方法结合不但能有效地辨别同分异构体及结构近似的有机分子,而且也能为其生化功能揭示提供有价值的参考数据。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第12期专栏征稿 主题:太赫兹成像感知技术

成像是人类认识世界最直接的方式,太赫兹波作为最后一个被开发的电磁波段,为科学探索和工业应用提供了新的视野,其包含的物质指纹,可作为分子级的识别手段。受限于波长的物理尺度,其成像分辨率距离人们的期望还有一定距离;太赫兹光谱传递了什么信息、该如何应用,仍需要深入探索。本专题拟对此进行探讨。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第12期专栏征稿 主题:太赫兹成像感知技术

成像是人类认识世界最直接的方式,太赫兹波作为最后一个被开发的电磁波段,为科学探索和工业应用提供了新的视野,其包含的物质指纹,可作为分子级的识别手段。受限于波长的物理尺度,其成像分辨率距离人们的期望还有一定距离;太赫兹光谱传递了什么信息、该如何应用,仍需要深入探索。本专题拟对此进行探讨。