本文關(guān)鍵詞：超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與太赫茲波調(diào)控　出處：《南京大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：太赫茲技術(shù)由于其在安全檢測、醫(yī)學(xué)成像、無線寬帶通信及物質(zhì)鑒別等領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景,近些年來已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。在之前很久的一段時(shí)期內(nèi),由于自然界中幾乎不存在對(duì)太赫茲波有理想電磁響應(yīng)的物質(zhì),因而太赫茲波段發(fā)射源、探測器、透鏡、開關(guān)、濾波片等功能器件的制備也一直發(fā)展緩慢。而這些功能器件都是最終實(shí)現(xiàn)太赫茲技術(shù)應(yīng)用所必不可少的部分,所以太赫茲波段又被稱為“太赫茲空隙”,即技術(shù)發(fā)展中的空白部分。近二十年來,隨著以量子級(jí)聯(lián)激光器為代表的太赫茲發(fā)射源的研制成功,以及利用天線結(jié)構(gòu)制備太赫茲探測器技術(shù)的逐漸成熟,在推動(dòng)太赫茲技術(shù)研究巨大進(jìn)步的同時(shí),也對(duì)太赫茲開關(guān)、偏振片、透鏡等具有太赫茲控制、調(diào)制功能器件的發(fā)展和制備提出了急切的要求。通過人工設(shè)計(jì)制備、具有可調(diào)電磁特性的超材料的出現(xiàn),剛好解決了太赫茲波段功能材料缺乏的問題。由于理論上這些超材料可以通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)于任意波段的電磁響應(yīng),所以基于超材料設(shè)計(jì)太赫茲波段功能材料和器件是一個(gè)極具潛力的技術(shù)路徑,將可以實(shí)現(xiàn)天然物質(zhì)很難實(shí)現(xiàn)的對(duì)于太赫茲波的控制和處理。本篇論文將主要介紹如何基于超材料,實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波振幅與偏振狀態(tài)的有效調(diào)控,具體研究內(nèi)容如下：1.由于超材料結(jié)構(gòu)的共振特性可以通過外部激勵(lì)來控制,如施加光照、電場、磁場、溫度或者機(jī)械應(yīng)力等,所以,經(jīng)過這些超材料透射的太赫茲波的振幅、相位、頻率等參數(shù)都可以通過改變這些外部激勵(lì)來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式控制。這樣一來,制備具有可調(diào)諧共振特性的超材料對(duì)于提高太赫茲系統(tǒng)的功能性和靈活性就具有非常重要的意義。然而,太赫茲技術(shù)領(lǐng)域長期以來面對(duì)的一個(gè)問題就是如何制備大面積、高均勻性的太赫茲主動(dòng)式超材料,以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波更高效、更精確的控制。本部分工作中,一類基于增強(qiáng)型非晶氧化物薄膜場晶體管制備的主動(dòng)式太赫茲超材料被提出并得以實(shí)驗(yàn)證實(shí)。使用全波技術(shù)進(jìn)行的模型分析和基于多極子理論進(jìn)行的模擬計(jì)算所得結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)所測得的結(jié)果具有很好的一致性。通過理論分析可知所設(shè)計(jì)的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)是通過電響應(yīng)與入射電磁波在0.75THz處產(chǎn)生耦合共振的。且可以通過施加外部電場調(diào)節(jié)晶體管的溝道導(dǎo)電性來實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)共振特性的控制。這樣一種基于非晶氧化物薄膜晶體管制備的太赫茲超材料,具有低工作能耗、低制備成本、大面積均勻制備以及與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)勢,從而非常有望在未來太赫茲顯示、傳感、通信等技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2.對(duì)于太赫茲偏振狀態(tài)的調(diào)控是太赫茲領(lǐng)域內(nèi)非常重要的一項(xiàng)技術(shù),不僅是具有偏振依賴特性太赫茲功能器件的需求,也是太赫茲技術(shù)在顯示、成像領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用的必要前提。另一方面,太赫茲在未來無線通信領(lǐng)域內(nèi)的編碼及信息處理中的應(yīng)用也必須解決對(duì)于太赫茲偏振態(tài)的調(diào)控。然而,自然界中缺乏對(duì)于太赫茲波段具有理想手性特征的天然材料,因而實(shí)現(xiàn)太赫茲偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn),尤其是非對(duì)稱旋轉(zhuǎn)就顯得非常困難。在第二部分工作的介紹中,基于兩層金屬結(jié)構(gòu)制備了具有三維手性特征的超材料,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于太赫茲線性偏振態(tài)較強(qiáng)的非對(duì)稱旋轉(zhuǎn),并首次成功進(jìn)行了對(duì)于太赫茲兩個(gè)線性偏振態(tài)之間控制非的邏輯運(yùn)算。這樣的一種太赫茲偏振旋轉(zhuǎn)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在可靠、穩(wěn)定、低損耗太赫茲偏振控制和處理的應(yīng)用中非常具有發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r(shí),利用三維手性材料中偏振態(tài)的非對(duì)稱旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電磁波偏振態(tài)之間邏輯運(yùn)算的方案,也為未來光學(xué)波段超級(jí)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了可以借鑒的技術(shù)思路。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN761;O441.4

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