弛豫铁电晶体结构及其太赫兹传输特性研究

发布时间：2018-12-12 00:05

【摘要】：在太赫兹通信系统实际应用中,寻找一种高性能材料实现对其高效调制是现阶段研究的热点。铁电材料中畴结构的偏转所引起的优异电光性能,能够保证其介电常数在外场诱导下产生显著的变化,进而实现对THz波有效地调制。基于此,本论文致力于新型准同型相界组分的三元弛豫铁电单晶铌铟镁酸铅-钛酸铅[0.24Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.43Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3,(0.24PIN-0.43PMN-0.33PT)]的结构性质及其THz波介电调制特性研究。研究内容如下:1.基于铁电材料和THz波的优势特性,对利用铁电单晶来调制THz波的方案及可行性做了系统地探究和分析。在对THz调制技术的研究现状进行分析的基础上,讨论了铁电体的相结构特点并提出了铁电材料的THz波介电响应模型。探讨了0.24PIN-0.43PMN-0.33PT单晶的介电性能随外场变化的特点,为利用该材料在外场作用下研究THz波介电调制性能提供了可行性理论基础。同时对拉曼光谱测试方法做重点介绍,为材料结构研究提供有效的光谱学测试手段。2.利用拉曼散射光谱对材料的相结构以及相转换特征进行了研究。通过对MPB组分0.24PIN-0.43PMN-0.33PT单晶的拉曼光谱进行Gauss拟合,分析其拉曼模式的位置和数量确定室温下该单晶为单斜相结构。其次,以材料的MB单斜相结构为研究对象,分析其在不同电场诱导下的偏振拉曼光谱,结果表明,单晶产生了由MB到MC单斜相结构的相变过程,且MC比MB单斜相结构性能更加稳定。同时,场致相变引起的铁电畴的偏转使材料在THz波段表现出极强的介电特性,进一步为基于材料相变特征研究其在电场下对THz波的调制特性提供了可靠的理论依据。3.利用太赫兹时域光谱技术对材料进行测试,并采用时域有限差分法对不同条件下单晶的介电特性进行了仿真及分析。在室温下测试了单晶的透射型和反射型THz时域光谱,根据已建立的模型及傅里叶变换得到其介电特征谱。利用FDTD分别模拟并探讨了不同厚度及不同电场诱导下材料在0.1-1.0THz范围内的介电常数变化情况及其对太赫兹波调制特性的影响,为寻找研究太赫兹波调制特性的理想材料提供了有价值的参考。
[Abstract]:In the practical application of terahertz communication system, it is a hot topic to find a kind of high performance material to realize its high efficiency modulation. The excellent electro-optic properties caused by the deflection of domain structure in ferroelectric materials can guarantee the remarkable change of dielectric constant induced by external field and realize the effective modulation of THz wave. Based on this, a new ternary relaxor ferroelectric single crystal, 0.24Pb (In1/2Nb1/2) O3-0.43Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.33PbTiO3, has been developed. The structure properties of (0.24PIN-0.43PMN-0.33PT) and the dielectric modulation characteristics of THz wave are studied. The research contents are as follows: 1. Based on the advantages of ferroelectric materials and THz waves, the scheme and feasibility of using ferroelectric single crystals to modulate THz waves are systematically explored and analyzed. Based on the analysis of the research status of THz modulation technology, the phase structure characteristics of ferroelectrics are discussed and the dielectric response model of THz wave for ferroelectric materials is proposed. The variation of dielectric properties of 0.24PIN-0.43PMN-0.33PT single crystals with external field is discussed, which provides a theoretical basis for studying the dielectric modulation properties of THz waves by using this material under the action of external field. At the same time, the Raman spectrum measurement method is introduced in order to provide an effective spectroscopic method for the study of material structure. 2. The phase structure and phase conversion characteristics of the materials were studied by Raman scattering spectroscopy. The Raman spectra of MPB component 0.24PIN-0.43PMN-0.33PT single crystal were fitted by Gauss, and the location and quantity of Raman model were analyzed to determine the monoclinic structure of the single crystal at room temperature. Secondly, the polarization Raman spectra of MB monoclinic phase structure are analyzed under different electric field. The results show that the phase transition from MB to MC monoclinic phase structure occurs in single crystal. MC is more stable than MB in monoclinic phase structure. At the same time, the deflection of ferroelectric domain induced by field-induced phase transition makes the material exhibit very strong dielectric properties in THz band, which provides a reliable theoretical basis for studying the modulation characteristics of THz waves in the electric field based on the phase transition characteristics of materials. Terahertz time-domain spectroscopy (THz) was used to measure the dielectric properties of single crystals under different conditions and the finite difference time-domain (FDTD) method was used to simulate and analyze the dielectric properties. The transmittance and reflectance THz spectra of single crystals were measured at room temperature. The dielectric characteristic spectra were obtained according to the established model and Fourier transform. The variation of dielectric constant in the range of 0.1-1.0THz and its influence on the modulation characteristics of terahertz wave under different thickness and different electric field induced by FDTD were simulated and discussed respectively by FDTD. It provides a valuable reference for the study of terahertz wave modulation properties.
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM221

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本文编号：2373488