基于钛酸铜钙新型铁电材料为基体的太赫兹波电控调制器的研究

The terahertz modulator is one of the key technologies in the area of terahertz wave measurement and terahertz communication. The research of base material is the foundation and difficulty in terahertz modulators. Ever since CaCu3Ti4O12 (CCTO), a new ferroelectric material, was first reported in 2000 to have a giant dielectric constant at room temperature, it has drawn the attention of many researchers and become an international research hotspot. This project emphatically studies the terahertz wave modulator based on CCTO new ferroelectric material. We begin from microscopic mechanisms which could be responsible for the dielectric behavior of ferroelectric materials in the terahertz range, then do an overall research of the interaction between ferroelectric materials and terahertz waves. Experimentally investigate the physical characteristics and dielectric properties of CCTO, and emphatically use the electronic control method to modulate the dielectric constant of CCTO in the terahertz range. Finally we integrated the terahertz modulator based on CCTO new ferroelectric material into the terahertz application system. . The terahertz functional devices such as terahertz modulator are the key link of the application of the terahertz system. The CCTO terahertz modulator developed in this project can be integrated into the large terahertz system, and will be extensively exploited in various aspects, such as national defense and anti-terrorism, atmospheric science and astronomy, sensing and imaging, materials and communication, and biomedicine.

太赫兹波调制器件是太赫兹波测量及太赫兹波通信的关键技术之一。其中对基体材料的研究是太赫兹波调制器件研究的基础和难点。钛酸铜钙是2000年被报道的一种新型铁电材料，它在室温下具有反常的巨介电特性，是近年来国际上的研究热点。本项目着重于研究基于钛酸铜钙新型铁电材料的太赫兹波调制器件。从影响铁电材料在太赫兹波段介电响应的各种微观机理入手，对太赫兹波与铁电材料相互作用的物理机制进行全面研究。对钛酸铜钙在太赫兹波段的物理性质和介电响应进行深入的实验研究，重点采用电控等手段实现对钛酸铜钙铁电材料在太赫兹波段的介电常数进行调制，并将基于钛酸铜钙新型铁电材料的太赫兹波调制器件集成到太赫兹系统当中。. 调制系统等功能器件是太赫兹系统向实用化发展的关键环节之一。本项目研制的钛酸铜钙太赫兹调制器件可集成到大规模太赫兹系统中，将在国防与反恐、大气与天文学、传感与成像、材料与通信、生物与医学等方面有重要的应用

铁电材料因其快速的电光效应以及易于调控的介电响应，非常适合用于微波和太赫兹波段的调制器件。本项目提出一种新型铁电超材料的太赫兹波调制器，并对其进行了理论和实验研究，取得的研究进展如下：.（1）以CaCu3Ti4O12铁电材料为基体的太赫兹波电控调制器的理论研究.利用软模理论和振子模型对CaCu3Ti4O12在太赫兹波段的介电常数进行数值模拟，建立了外场作用下CaCu3Ti4O12的复介电常数随电/光场变化的理论体系；使用CST软件模拟了基于Si衬底-CCTO铁电薄膜-超材料三层结构在外场作用下对太赫兹波透过率的影响，分析该结构的介电特性变化，计算了不同尺寸、结构对太赫兹波整体透过率的影响，总结出实现最佳调制效果的相关参数。理论计算结果表明，存在超材料结构的情况下，对CaCu3Ti4O12施以较小的外加电压即可取得十分可观的电场强度，从而获得十分明显的调制效果，这对太赫兹波调制器件调制深度的提高具有重要的意义。.（2）对以其它新型铁电材料为基体的太赫兹波电控调制器的调制机理进行研究.利用太赫兹时域光谱仪，对CaCu3Ti4O12陶瓷以及其它铁电材料（SrTiO3, SrTiO3:Fe, LiNbO3:Mg, 0.4Ba0.6Sr0.4TiO3-0.6La(Mg0.5Ti0.5)O3等）进行了在太赫兹波段的光调制研究。采用了不同的理论模型（广义振子模型等）对实验结果进行了分析。总结得到了这些铁电材料在太赫兹波段的介电响应随外加光场的变化特点。.（3）太赫兹新型铁电超材料调制器件的样品制作和实验测试.我们利用光刻方法制作了多块实验用的以新型铁电材料为基体的太赫兹波电控调制器的样品，然后用TDS系统进行了测试。实验取得了较好的结果，在外加电场/光场的情况下，一些样品对太赫兹波振幅的调制深度达到50%-80%；还有一些样品实现了相位调制的效果，太赫兹波时域信号的时间位置移动了1-2ps。这些结果可分别应用于太赫兹波段的振幅调制器件和相位调制器件。