【摘 要】
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太赫兹波是一种波长介于微波与红外之间的高频电磁波。光子能量低、穿透力强、时间和空间分辨率高,具有指纹频谱特性。这使太赫兹波在成像、通信以及波谱探测等领域具有广阔的应用前景。为了实现这些应用,对空间中传播的太赫兹波进行有效调控是十分必要的。虽然目前已开发出了多种太赫兹波调制器件,但仍存在着一系列问题,诸如价格高昂、调制性能差或难以实现宽带调制等。针对以上问题,本论文研究了基于金纳米颗粒的太赫兹空间传
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太赫兹波是一种波长介于微波与红外之间的高频电磁波。光子能量低、穿透力强、时间和空间分辨率高,具有指纹频谱特性。这使太赫兹波在成像、通信以及波谱探测等领域具有广阔的应用前景。为了实现这些应用,对空间中传播的太赫兹波进行有效调控是十分必要的。虽然目前已开发出了多种太赫兹波调制器件,但仍存在着一系列问题,诸如价格高昂、调制性能差或难以实现宽带调制等。针对以上问题,本论文研究了基于金纳米颗粒的太赫兹空间传输调控技术。利用金纳米颗粒独特的物理性质,制备出宽带、高性能以及价格低廉的太赫兹波相位和幅度调制器。采用金纳米颗粒/甲苯混合液,可实现在光或电激励下对太赫兹波相位的宽带、大幅度调控;利用金纳米颗粒单层膜修饰半导体基片,可实现在不同波长激光激励下对太赫兹波幅度的宽带、高性能调控;通过金纳米颗粒单层膜修饰肖特基型半导体器件,分析调制机理,优化调制模式,可有效提高器件在光电作用下对太赫兹波幅度的调制性能,并降低对激励激光功率的要求。主要研究内容如下:1.针对目前太赫兹波相位调制器结构复杂,难以同时实现大相移量、宽带和光可控的问题,提出了一种以金纳米颗粒-甲苯混合液调控太赫兹波相位的方法。结合甲苯折射率的温度依赖性和金纳米颗粒的光热效应,采用激光照射金纳米颗粒-甲苯混合液来调控太赫兹波相位。通过实验分析激光波长、纳米颗粒浓度等因素对调制性能的影响,优化调制性能。实现对自由空间中太赫兹波相位的宽频（0.3-1.5THz）、大相移量调控。在2.5 W的520 nm连续激光作用下,相移量达390°（1.5 THz）。这是基于液晶调控太赫兹波相位以外的另一种宽频、高效调控方法,有效拓展了调控太赫兹波相位的方式。2.针对半导体基片调控太赫兹波幅度,光控调制深度低的问题,提出用金纳米颗粒单层膜修饰半导体基片来提高调制深度。（1）将球形金纳米颗粒单层膜转移到硅片上,利用金纳米颗粒的局域表面等离子共振效应增强硅片表面激光,可有效提高硅片对太赫兹波的光控调制深度。在500 m W的638 nm连续激光作用下,调制深度达70%,是裸硅的4倍,且没有额外的插入损耗。（2）针对球形金纳米颗粒吸收增强光谱范围窄的问题,采用棒状金纳米颗粒取代球形金纳米颗粒,制备了吸收增强光谱范围更宽的棒状金纳米颗粒单层膜。通过实验和仿真分析了调制增强机理,以及在不同波长激光照射下,金纳米颗粒的形貌、排列方式等因素的影响。在638-915 nm激光作用下,棒状金纳米颗粒单层膜的修饰,均能有效增强硅片对太赫兹波的调制深度。（3）为进一步拓宽激励光谱范围,以锗取代硅,制备了棒状金纳米颗粒/锗太赫兹波幅度调制器。在700 m W的1550 nm（通讯激光）连续激光作用下,调制深度为86.6%,其中裸锗66%。此外,调制速率达37k Hz,是上述硅基调制器的8倍多。以上方法可有效提高器件的调制深度,降低所需激光功率,拓宽应用范围,使半导体基片在太赫兹波幅度调控领域应用成为可能。3.在金纳米颗粒增强半导体基片光调制深度研究的基础之上,进一步研究了用肖特基型半导体光电同调器件调制太赫兹波幅度,金纳米颗粒对调制性能的增强作用。（1）对于石墨烯/硅异质结调制太赫兹波,通过分析异质结在光电作用下的能带图,光生载流子产生、输运和累积,厘清调制机理,结合实验优化激励模式,可提高调制深度。采用金纳米颗粒单层膜修饰异质结表面,可进一步全面提高调制性能。相比未经优化和修饰的文献报道结果,调制深度由83%（420 m W,-7V）提高到94%（100 m W,-5 V）;调制速率由～1 k Hz提高到4.6 k Hz。（2）通过在硅片表面制备金属超表面,形成肖特基接触。利用金纳米颗粒修饰后,光调制深度由40%提高到80%。光电同时作用下,动态调制速率达20 k Hz,是上述优化后石墨烯/硅的4倍多。此外,还解决了石墨烯器件稳定性差,制备工艺和现代集成电路工艺兼容差的问题。以上方法为肖特基型半导体光电同调器件的优化提供一种新思路,且有效降低了激励激光功率。
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