基于TiNi记忆合金薄膜的太赫兹波调控研究

发布时间：2020-04-17 13:02

【摘要】：TiNi记忆合金薄膜在相变温度附近会发生由母相的B2结构到马氏体相的B19’结构的马氏体相变,可同时导致材料介电特性和形状的快速改变。利用此特点,将TiNi合金制备成薄膜,并与超材料设计结合,可实现温度场作用下材料特性和结构形变的双重调制,从而实现对太赫兹波的动态调控。基于TiNi合金薄膜超材料的太赫兹功能器件,能有效结合上述两种太赫兹主动控制方法的优点,兼具调控速度快、调制范围宽等优势,为发展TiNi合金薄膜超材料的太赫兹功能器件提供了新思路。本文通过软件仿真设计TiNi薄膜超材料-硅衬底的两层开口谐振环结构,通过温度场的控制,使TiNi薄膜超材料的电导率、表面粗糙度以及结构的改变,得到相应的透射谱。并通过耦合谐振原理分析了TiNi超材料对太赫兹波的响应机理,进而研究了TiNi薄膜相变过程中材料电导率和表面粗糙度以及形变对太赫兹波的调制作用。研究结果表明,TiNi超材料电导率逐渐变小,使谐振在高频处发生0.14THz的红移;随着TiNi超材料表面粗糙度的增大,在高频出有明显的红移,最大实现0.46THz的调制效果;随着TiNi超材料的中间线谐振发生形变,使高度增加,在低频处的透射峰发生明显的蓝移,且透射率的值明显增大,调谐范围达到0.5THz。说明TiNi超材料对太赫兹波具有很好的调制效果。在上述研究工作的基础上,本文进一步研究了TiNi薄膜超材料在太赫兹器件中应用。分别讨论了TiNi超材料在太赫兹调制器和滤波器中的应用,在太赫兹调制器中,TiNi超材料的相变,实现0.3THz的调制效果;结构形变实现0.46THz的调制效果;而TiNi薄膜超材料的双重调制,实现高达0.85THz的调制效果;针对太赫兹滤波器,采用工字型结构为基础的上下两层TiNi薄膜超材料和中间介质层的结构,实现宽频的阻带滤波器。材料的相变和形变,分别能够实现阻带宽度为0.07THz和0.15THz的调制效果,而通过双重调制能够实现带宽为0.27THz的调制效果。本文的研究结果表明,TiNi薄膜超材料通过双重调制,能够实现更大的调制效果,具有更快的调制速度以及更简单的结构形状。因此,TiNi薄膜作为超材料在太赫兹调制及相关功能器件的应用具有巨大潜力。
【图文】：

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-3-图 1-1 基于半导体可调控太赫兹超材料) 半导体超材料结构示意图; b) 超材料在不同泵浦光下的g.1-1 Dynamically tunable metamaterial with based on semimatic of metamaterial; b) Transmission spectra with differen超导体材料的太赫兹器件，美国俄克拉荷马州立大学的 Cao 等人提出一种通体超材料的调控[35]，如图 1-2 所示。该超材料结构导闭合环(YBCO)和内部开口金属环嵌套组成，如料由外部高温超导闭合环和内部开口金属环分别产场耦合，从而实现 EIT 效应。施加不同的温度（1导闭合环和内部开口金属环的耦合强度，实现对超窗口幅值的调制，如图 1-2b)为不同温度下的传输

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哈尔滨理工大学理学硕士学位论文-4-图1-2 基于超导体可调控太赫兹超材料a) 超材料结构示意图; b) 超材料在不同温度下的传输谱Fig.1-2 Dynamically tunable metamaterial based on superconductora) Schematic of EIT metamaterial; b) Transmission spectra with different temperature3、基于液晶材料的太赫兹器件2015 年，东海大学的 Chen 等人提出了一种通过施加不同频率的偏压的方式实现对液晶超材料的调控[36]，如图 1-3 所示。该超材料结构被嵌入在共平面转换双频液晶(IPS DFLC)单元内，其中塑料柔性连接臂将两层聚酯衬底隔开，形成一个填充双频液晶空腔结构，金属银开口环阵列置于顶端聚酯衬底上，铟锡氧化物通过湿法刻蚀置于底端聚酯衬底上，两层聚酯衬底均覆盖在聚酰亚胺薄膜上，如图 1-4a)所示；通过施加不同频率的偏压(频率为 19KHz-22KHz)，可在铟锡氧化物电极两端产生电场
【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】：2019
【分类号】：O441.4;O484

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