基于BST介电非线性效应的电调制太赫兹超材料制备及电磁特性研究

Metamaterials of the voltage regulation on the control of electromagnetic waves has been explored hotspots. The project proposed design of the new structure of THz metamaterials, using its own structural unit achieve the voltage loading mode, to avoid the destruction of the wires on the electromagnetic structure of the metamaterials. At the same time, the project proposed to combine nonlinear effects of the barium strontium titanate (BST) thin film for THz wave voltage regulation. Through the research of this project, the law of the THz electromagnetic response to the BST thin films can be obtained, and the new method of voltage regulation THz metamaterials could be developed.And this project could lay the foundation of new THz devices.

利用电压调控超材料对电磁波的控制一直是人们探索的热点。本项目提出设计新结构THz超材料，利用自身结构单元提供电压加载方式，避免了引线对超材料电磁结构的破坏。同时，结合功能材料钛酸锶钡（BST）薄膜介电非线性效应实现超材料对THz波的电压调控。通过本项目的研究，可以获得BST薄膜的THz电磁响应规律，发展电压调控THz超材料的新方法，为构筑新型THz器件打下基础。

利用电、光，热，磁等方式实现超材料对电磁波传播方式的调控极大地丰富了超材料研究内容，尤其是超材料对THz波调控的实现，使得THz波的应用有了一定的基础。从应用角度考虑，电、光调控便于操作，更具有优势，尤其是电场调控，因此也最受重视。然而，早期的研究中，在SRRs结构单元加载电容的电压加载方式成为瓶颈。本项目我们拟研究不引入其他电极结构，在超材料设计中利用金属单元结构本身加载电压，结合BST薄膜的介电系数可调的特性实现THz波传播特性的电压控制。.本项目计划的主要研究内容包括以下三个方面：1.理论上深入研究超材料对电磁波的调控机理；2.设计并模拟以钛酸锶钡（BST）薄膜作为介质夹层的超材料结构，研究BST的介电非线性效应对超材料非线性电磁特性的作用；3.实验上实现以BST薄膜作为介质夹层的超材料，研究其电磁非线性效应。根据研究进展，本项目对第一，第二点内容进行了深入研究，在对从实验上实现以BST薄膜作为介质夹层的超材料的研究中，我们在实验上遇到了不可逾越的瓶颈，故未能对第三点研究内容进行深入研究。同期，我们及时对项目研究内容进行了适当的调整。我们在项目计划研究内容（非线性超材料）大框架之内，增加两项研究内容：1.非线性电磁超材料的功率调制特性；2.非线性电磁超材料的二次谐波产生（倍频）。.通过研究本项目取得以下重要结果：1、提出在SRRs两环间隙内引入相对交错的金属短线，研究了金属短线对谐振频率的影响，证明了金属短线的引入对减小器件尺寸有明显作用。2、研究了内嵌钛酸锶钡薄膜夹层的金属网格谐振单元电磁超材料的谐振行为。发现电磁响应频率随着内嵌夹层钛酸锶钡薄膜介电常数的变大呈现红移，调谐率为22.6%。3、研究了加载变容二极管电磁超材料的非线性效应，发现入射电磁波功率变化能够改变电磁超材料的电磁特性。4、研究了非线性电磁超材料的二次谐波选择性产生，发现利用相位匹配可以实现二次谐波的反射传输。.通过该项目的研究，我们对电磁超材料非线性的物理内涵有了更深入的理解，并且相信电磁超材料非线性对基本的物理研究有重要的支撑作用，更重要的是利用电磁超材料非线性我们可以实现智能化的电磁防护，以及控制二次谐波的生成与传输方向。