半导体InSb的异常THz透射研究

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太赫兹波是指频率位于高频微波区域和长波长远红外区域之间的一种电磁波。太赫兹时域光谱已被证明是一种非常重要的材料研究工具,它是凝聚态系统中各种低能量激发的极好探针,相较于传统的基于傅里叶变换红外光谱仪的远红外光谱,其优越之处在于可以测量透射或反射太赫兹电场的振幅和相位信息,从而得到材料的电导率和折射率等属性。将太赫兹时域光谱技术和强磁场产生技术相结合,能够用于进一步研究低温和磁场下各种光与物质的相互作用。窄带隙半导体锑化铟InSb导带中的电子在磁场下的物理行为可以用经典等离子体理论进行描述。由于InSb中电子密度较低、电子有效质量小及高迁移率,一些重要的能量尺度(如回旋共振能量、等离子体能、费米能量、原子能级跃迁能量等)都处于太赫兹范围。这些材料特性可以通过磁场、掺杂密度或温度进行调节,它们与太赫兹脉冲之间的复杂相互作用使得InSb成为一种研究价值极高的材料体系。以往受限于太赫兹脉冲强度较小,研究工作基本忽略电子的热运动效应。在太赫兹强场辐射技术日益发展的当下,建立适用于强相互作用下的传播理论并进行实验研究,对于研究传统半导体材料在太赫兹波段的物理和应用具有重要意义。本论文从实验发现的一个异常THz透射现象出发,通过理论和实验研究相结合的研究方法,最终揭示这一现象的物理本质及潜在应用。论文的主要研究内容包括:本文第一章介绍了太赫兹强场辐射源的发展和窄禁带半导体InSb的研究现状,并介绍了有趣的多重反射太赫兹脉冲异常增大现象,这也是本研究的发起点。为了解释这一异常现象,建立了强场相互作用下太赫兹脉冲在InSb中的传播理论(第二章),分析了电子热运动效应对传播的影响,搭建太赫兹时域低温磁光谱系统(第三章),进行太赫兹空间电场矢量探测实验,探明法拉第旋转效应对异常透射的影响(第四章)。最后,利用第二章建立的传播理论研究了固体热磁等离子体中的负吸收效应及其对异常透射的贡献(第五章),并且提出了下一步的研究方向。
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