基于鈦酸銅鈣、鈮酸鋰鐵電材料的太赫茲波調(diào)制特性研究.pdf

1、太赫茲功能器件是太赫茲研究領(lǐng)域中非常重要的一部分,其中基于鐵電材料的太赫茲波調(diào)制器件,由于其重要的研究和應(yīng)用價(jià)值而受到廣泛關(guān)注。本論文著重于研究基于鈦酸銅鈣陶瓷和不同摻雜近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體等鐵電材料在太赫茲波段的調(diào)制特性。通過(guò)建立模型,分析了太赫茲波與鐵電材料相互作用的物理機(jī)制。利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)鈦酸銅鈣和不同摻雜近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體在太赫茲波段的物理性質(zhì)和介電響應(yīng)進(jìn)行了研究,重點(diǎn)采用光控手段對(duì)這些鐵電材料在太赫茲波段的介電

2、常數(shù)進(jìn)行調(diào)制,調(diào)制幅度分別達(dá)到了7％和5.5％,并且探討了影響鐵電材料在太赫茲波段介電響應(yīng)的各種微觀機(jī)制以及實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的光鐵電現(xiàn)象。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)介紹了太赫茲技術(shù)和鐵電體的基本概念。對(duì)太赫茲波的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)介。討論了鐵電微觀機(jī)制中的軟模理論,它認(rèn)為鐵電相變是由晶體布里淵區(qū)中心的某個(gè)光學(xué)橫模振動(dòng)頻率的下降引起的。我們利用德拜弛豫模型和振子模型來(lái)探討鐵電體的介電響應(yīng)頻譜,它們分別對(duì)應(yīng)于有序

3、無(wú)序型鐵電體和位移型鐵電體。介紹了一些常見(jiàn)的光鐵電現(xiàn)象,重點(diǎn)討論了反常光生伏打效應(yīng)和光折變效應(yīng)。
　　(2)采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量了室溫下鈦酸銅鈣(CCTO)陶瓷在太赫茲波段的光譜特性。通過(guò)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到了鈦酸銅鈣陶瓷在太赫茲波段的復(fù)介電常數(shù)色散曲線(xiàn)。CCTO在太赫茲波段的介電常數(shù)數(shù)值約為65～75,并沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的巨介電性質(zhì)。當(dāng)對(duì)樣品材料施加不同強(qiáng)度的外光場(chǎng)時(shí),我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)CCTO介電常數(shù)的調(diào)制,調(diào)制幅度可達(dá)7％。我們觀察到樣品

4、折射率的變化與外加光場(chǎng)的強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系,這些變化被認(rèn)為是由材料中光生載流子導(dǎo)致的自發(fā)極化的改變引起的。
　　(3)采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量了室溫下?lián)借F近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶和摻鈰近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶在太赫茲波段的光譜特性。通過(guò)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到了兩種晶體在太赫茲波段的復(fù)介電常數(shù)、吸收系數(shù)、復(fù)折射率色散曲線(xiàn)。在太赫茲波段,摻鐵近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶的介電常數(shù)約為42～46,折射率約為6.5～6.8;吸收系數(shù)約為60～100cm-1,略大于

5、無(wú)摻雜的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶。在太赫茲波段,摻鈰近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶的介電常數(shù)約為39～43,折射率約為6.3～6.6;吸收系數(shù)約為70～120cm-1,略大于無(wú)摻雜的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶。
　　(4)利用外加光場(chǎng)的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)摻鐵近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶和摻鈰近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶在太赫茲波段的介電常數(shù)和吸收系數(shù)的調(diào)制,對(duì)介電常數(shù)的調(diào)制幅度分別達(dá)到3％和1.8％,對(duì)吸收系數(shù)的調(diào)制幅度分別達(dá)到5.5％和4％。當(dāng)光強(qiáng)較小時(shí),晶體

6、的折射率變化量隨著外加光場(chǎng)強(qiáng)度的變化成線(xiàn)性關(guān)系,這一現(xiàn)象被認(rèn)為是由光折變效應(yīng)引起的,即光生載流子的空間位移在晶體內(nèi)部產(chǎn)生了空間電荷場(chǎng),它通過(guò)線(xiàn)性電光效應(yīng)引起了晶體折射率的變化。其中摻鐵近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶的光折變效應(yīng)明顯強(qiáng)于摻鈰近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶。另外,當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定程度后,我們?cè)趦煞N晶體當(dāng)中均觀測(cè)到光折變效應(yīng)的突然減弱,引起這一現(xiàn)象的原因被歸結(jié)為光致疇反轉(zhuǎn)。在摻鐵近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰單晶觀察到光致疇反轉(zhuǎn)現(xiàn)象所需的光強(qiáng)要低于摻鈰近化