有机物太赫兹光谱的测量及仿真研究

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非制冷太赫兹探测器具有无需制冷装置、成本低、性能稳定等优点,是当今太赫兹领域的国际研究热点。传统非制冷探测器采用的太赫兹无机吸收材料因其光响应选择性差、调控难、材料制备工艺苛刻等缺点,使探索太赫兹有机敏感材料具有重要的理论及现实意义。然而,有机材料在太赫兹波段的振动模式比较复杂,而目前人们对有机材料的太赫兹光谱特性的认识还较浅,致使探索高质量的太赫兹有机吸收材料的进展十分缓慢。为此,本文通过从研究简单的有机小分子逐步过渡到适合太赫兹探测器应用的复杂的有机材料,采用实验测试和理论计算相结合的研究方式,对多种有机物在太赫兹波段的光谱特性进行了系统的研究。本论文主要研究成果如下:(1)通过对甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇和异丁醇六种饱和一元醇的太赫兹光谱研究,发现随着碳原子数的增加,羟基在一元醇中的重量比逐渐降低,导致相关一元醇对太赫兹的吸收能力逐渐减弱。而且,对比一元醇的同分异构体,发现偶极矩越大,相关一元醇对太赫兹的吸收能力越强。此外,通过对甲醇的仿真计算,发现甲醇的太赫兹吸收峰是多种聚合体振动的综合体现,并且三聚体结构为甲醇溶液的主要存在形式。(2)通过对三十烷烃、三十烷醇和三十烷酸有机物的太赫兹光谱研究,发现官能团的差异将导致有机物的太赫兹光谱的特征吸收峰及光透过率显著不同。其中,三十烷醇在57 cm-1位置的特征吸收峰被归属为氢键O?H···O的弯曲振动,三十烷酸在74 cm-1位置的特征吸收峰被归属为氢键振动、且氢键O?H···O中的氧原子来自C=O。特别是,本文研究表明,红移氢键(O?H···O)和蓝移氢键(C?H···O)不仅存在于中红外光谱,在太赫兹光谱中同样存在。通过对比相关有机物的仿真光谱与实测光谱,发现二聚体结构比单分子结构的仿真结果与实测光谱更加相吻合。(3)通过对非线性有机材料DAST的太赫兹光谱研究,我们从实验上证明了DAST确实是一种优异的太赫兹有机敏感材料,具有良好的探测器应用潜景。结合仿真计算,本文还将DAST在66、98、135、158、214和247 cm-1位置的特征吸收峰进行了相应归属。此外,我们还研究发现,实验过程中甲醇分子对DAST的实测光谱产生轻微影响,而水分子对DAST的实测光谱则没有影响。
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