基于时域光谱测定的固体太赫兹吸收及介电性质表征

发布时间：2020-07-16 10:18

【摘要】：超快激光技术和半导体材料的进步使太赫兹波的产生和探测效率得到了大幅提高,太赫兹波的相关研究在近二十年来飞速发展,无论是太赫兹波的产生、探测、调制还是应用研究,都需要深入理解太赫兹波与目标物质之间相互作用,而太赫兹时域光谱系统可以提供太赫兹波在穿透待测样品后每一个频率成份上幅值和相位的变化信息,是在太赫兹波段(0.3-3.0 THz)研究光与物质的相互作用的最佳工具。本文利用透射式太赫兹时域光谱系统对固态样品展开了表征研究,涉及的固态样品包括有机物单质晶体、药物共结晶以及高分子聚合物,表征的内容包括幅值变化提供的太赫兹吸收谱,以及相位变化提供的介电谱。研究主要内容和创新点如下:1)在晶体太赫兹吸收谱的形成机制研究中,利用量子化学计算成功对谷氨酰胺太赫兹吸收特征进行了振动模式的匹配,在研究过程中通过对计算所用初始构型的调整,使计算模拟的吸收谱向实验吸收谱不断逼近,体现了分子间作用对谷氨酰胺太赫兹频段内太赫兹吸收特征的影响。该研究对于考察物质中分子内作用和分子间作用对太赫兹吸收特征形成的主导程度提供了新的线索和证据。2)在共结晶及多晶型的太赫兹吸收谱表征研究中,利用太赫兹波对分子间作用的敏感响应,观察到了两种物质之间共结晶的形成,并对共晶产物中的多晶型现象进行了吸收特征分辨,对共晶产物亚稳态在自然条件下向稳态晶型转换的过程,利用太赫兹时域光谱技术的快速响应对转换过程进行了原位监控,实现了晶型转换过程的量化表征。该研究展示了太赫兹光谱技术在共结晶药物研发领域的应用前景,对晶型转换机制研究提供了新的监测表征手段。3)建立了适用于透射式太赫兹时域光谱系统对固态样品进行表征后的介电分析模型,对聚乙烯和聚四氟乙烯实现了精确的介电常数测定,并利用测定的介电常数及提出的介电分析模型对二者不同配比的混合物进行了介电常数预测,预测值与实验值保持了高度的一致性。该研究提出的介电分析模型可以扩展到更多的高分子材料单质及其混合物的太赫兹介电性质分析中,对太赫兹波段的聚合物材料介电性质设计提供了一种新的途径。4)提出了聚合物载体中固态样品太赫兹极化率的分析提取方法,该方法能够广泛的应用于太赫兹波段的强吸收物质。利用该方法我们实现了阿司匹林与三种氨基酸的太赫兹极化率精确测定,并且针对晶格信息可能无法获取的情况提出了相应的解决办法,扩大了方法的适用范围,利用本方法测得的极化率作为一项物质基本参数,将来可以用于研究固体的硬度、熔点、溶解度等宏观性质。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4
【图文】：

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大多数的太赫兹时域光谱系统使用的太赫兹脉冲产生装置采用了这种技逡逑术，将微带天线结构微加工至半导体薄片的表面，偏置电压施加于天线结逡逑构上之后飞秒近红外激光击打到两个天线端子中间，如图１－２所示，当近红逡逑外激光脉冲击中偏置半导体材料时，产生了一系列载流子（激发电荷和空穴），逡逑这些载流子在偏置电压的作用下迅速加速。变化的电流诱导了太赫兹频段的逡逑相干电磁波在产生端天线两极间的形成。两极间的电流强度与偏置电压成指逡逑数关系，同时产生的太赫兹辐射也遵守同一规律。产生的太赫兹脉冲通常持逡逑续几百飞秒并且穿透过样品后被引导至探测端。逡逑主视图逦侧视图逡逑ｒ逦＾＿半导体基底材料逦逡逑｜逦逦天线电极邋一逡逑太赫兹辐射逡逑灥，卜，一逦－逡逑■邋Ｍ逦■高阻鞋球面镜逡逑—１｜丨１丨１丨１丨Ｉ—逡逑７逦偏压电源逡逑图１－２典型光电导天线太赫兹发生器原理示意图逡逑－３邋－逡逑

示意图,光电导,接收器,天线

光生载流子在太赫兹电场的作用下定向移动产生电流，这一电流经过天线的逡逑引线被检测，同时此电流与采样时间窗内的太赫兹电场强度成正比。光电导逡逑天线接收器的设备配置图如图１－３所示。逡逑主视图逦侧视图逡逑？逦半导体基底材料——？逡逑｜逦逦天线电极——N“逡逑＿逦太赫兹辐射逡逑■逦■逦■高阻桂球面镜逡逑Ｘ－＊￣逡逑：逦电流计逡逑图１－３典型光电导天线接收器原理示意图逡逑－４邋－逡逑

示意图,电光取样技术,自由空间,光学

在自由空间电光取样配置［３３］中，太赫兹辐射和偏振态的近红外探针光束逡逑同时导入电光晶体，透过的近红外激光脉冲再依次经过一个四分之一波片和逡逑渥拉斯顿棱镜，如图１－４所示。经过电光晶体的太赫兹辐射改变了电光晶体逡逑的双折射率，因此改变了同时经过电光晶体的近红外激光脉冲的相位，穿透逡逑过去的近红外光束两偏振态相位延迟与该时刻作用于电光晶体的太赫兹电场逡逑强度成正比。当探针光束透过电光晶体以后，要透过一个四分之一波片，其逡逑作用是将线偏振的近红外激光束转换为圆偏振光。圆偏振光可以看成是两束逡逑互相垂直的线偏振光分量的线性组合，两束分量的相对幅度与时间成正弦关逡逑系，其中一束分量与另外一束分量之间存在９０°的相位差。渥拉斯顿棱镜的逡逑作用是将这两束互相垂直的偏振分量分离开来并将剥离后的两束偏振光引导逡逑到平衡光电二极管上。由于电光晶体被太赫兹电场调制后引起了探针激光的逡逑相位延迟，从而体现为照射到平衡光电二极管上的两束分量不相等，其差值逡逑就用来表征太赫兹辐射的功率强度。逡逑探针红外光逡逑偏振镜１逦ｎ逡逑ｉ邋渥拉斯顿棱镜四分之一波片邋电光晶体逦线偏振红外光逡逑ｆ邋一－－一－一逦，逡逑逦邋邋邋邋邋Ｊ邋线偏振逦线偏振逦圆偏振逡逑红外光逦红外光逡逑ｆｐ邋＋逦＝邋Ｚ１＾Ｕ逡逑图１－４自由空间电光取样技术的光学示意图逡逑光电导天线技术和自由空间电光取样技术各自的优势。基本来说，自由逡逑空间电光取样技术保证了更宽的频率检测范围

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