基于铁电薄膜材料的太赫兹波调制特性及可调谐太赫兹器件的研究

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太赫兹可调谐器件是太赫兹研究领域的重要组成部分。利用铁电薄膜设计的太赫兹波频段的调制器件受到了广泛关注，因为薄膜材料满足器件小型化和集成化的发展趋势。本论文采用光泵浦、外加偏置电场以及温度控制的方式，利用太赫兹时域光谱系统对硅基和钛酸锶基的钛酸锶钡薄膜(薄膜材料为Ba0.5Sr0.5TiO3)，以及钛酸锶基的可调谐吸收器在太赫兹频段的光电特性进行了研究，并进一步探讨了影响铁电薄膜调制和钛酸锶基的可调谐吸收器的微观机制。主要研究结果如下：
　　1、研究了连续激光泵浦硅基钛酸锶钡薄膜在太赫兹波段的调制特性，研究内容包含吸收系数和介电常数等参数，其中介电常数的实部调制度可达到22％，且薄膜吸收率的调制深度达到16%；研究其物理机制，是由于硅基钛酸锶钡薄膜在太赫兹波段的光生载流子浓度随着泵浦光强的增加而增加，由于载流子和杂质吸收能量在材料内部重新分布，最终产生内建电场，该内建电场会使铁电薄膜材料的介电常数和对太赫兹的吸收率在一定的外加光强范围内具有可调制性。
　　2、使用外加直流偏置电压调制钛酸锶基钛酸锶钡薄膜的介电响应，该薄膜在太赫兹频段的介电常数通过太赫兹时域光谱系统进行测量，研究了该薄膜的介电调制特性，在外加电压值达到30 V的情况下，介电常数的实部和虚部的调制深度分别达到了74.8%和33.6%。进一步理论分析可以得到：外加偏置电场对钛酸锶基钛酸锶钡薄膜在太赫兹波段介电常数的调制与偏置电场增大的过程中薄膜材料的软模硬化有关，该硬化使铁电薄膜材料的介电常数在一定的偏置电压范围内减小。
　　3、研究了基于钛酸锶铁电材料为衬底的双通带和多通带的温控可调谐太赫兹超材料的吸收器。利用有限时域差分法计算了在250 K~400 K范围内该超材料吸收器的太赫兹透射谱、介电特性以及器件的电场能量密度分布，该调制度最高可达27%；同时也计算了超材料吸收器在200 K~400 K范围内的太赫兹透射谱以及器件的电场能量密度分布，该调制度最高可达67.3%。分析得到频率调制的机理是由于介电层钛酸锶折射率随温度的改变。该方法对设计温度控制调制深度的可调谐太赫兹超材料器件提供了相应的指导。
　　4、研究了基于锑化铟的温控金属-铁电体混合结构的太赫兹调制器，利用有限时域差分法计算了吸收器在250 K~450 K范围内的太赫兹透射谱、工作频率以及器件的电场能量密度分布，比较了在加载铁电薄膜的情况下，可调谐太赫兹吸收器调制深度的变化，结果表明该调制器在加入铁电薄膜后，可实现太赫兹频段的温控可调谐吸收，并在中间层加上钛酸锶薄膜后，调制深度由79.07%增大到了84.06%。该方法对设计深化调制深度的可调谐太赫兹器件提供了相应的指导。

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作者
罗春娅;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科电子科学与技术
授予学位博士
导师姓名姚建铨,凌福日;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
铁电薄膜; 可调谐; 太赫兹器件; 调制特性; 光电特性;

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