无铅压电纳米阵列的可控生长及太赫兹波辐射探索

采用压电纳米材料作为THz波激发源能够突破目前光电晶体THz波源辐射波段偏窄、辐射功率偏低的瓶颈。本研究提出一种采用预图案Si基片，结合溶胶-凝胶水热法大面积生长长径比和线间距可控、具有特定取向的改性(Na0.5Bi0.5)TiO3 (NBT)无铅压电纳米线阵列。研究改性NBT纳米线溶胶-凝胶水热过程中定向生长的热力学和动力学机制。通过A位或B位离子取代提高NBT无铅纳米材料的压电系数和载流子迁移率，制备出具有1-10THz波宽频辐射能力的NBT纳米阵列，并探索其阵列结构对THz波辐射的影响规律，揭示压电纳米阵列的THz波辐射机理。本项目的顺利实施不仅有助于认识NBT压电纳米阵列受飞秒脉冲的激发辐射THz电磁波的超快过程中所蕴涵的物理机制,而且对制备其它尺寸可控的单晶纳米阵列并进行其光学、电学、磁学等方面新功能的应用探索也具有重要的理论和实践指导意义。

采用水热合成、静电纺丝、电化学沉积和热氧化工艺实现了无铅压电纳米材料、半导体氧化物纳米线以及贵金属纳米阵列的可控制造，研究了纳米材料的微结构、物相、压电特性以及THz辐射特性，并初步探讨了压电纳米材料的生长机制，获得的主要结果如下：(1) 采用磁控溅射和两步阳极氧化法制备了基于Si片的AAO模板，通过调整氧化电压和扩孔时间调整AAO模板的几何尺寸，获得了基于Si基片AAO模板的孔间距和孔径与氧化电压之间的关系；(2) 采用溶胶-凝胶AAO模板法制备了无铅压电BNdT和KNN纳米管阵列，所制备的纳米管在轴向上均表现出明显的室温铁电压电性能，且适当的Nd3+离子掺杂能明显改善BIT的剩余极化强度及饱和极化强度；(3)利用脉冲电化学沉积工艺制备了贵金属Ag和Au纳米线阵列，比较了纯氧化铝膜和含氧化铝膜的Ag纳米线阵列对THz辐射特性的影响，发现Ag纳米线对THz增透表现出一定的频率响应和增透幅度；(4) 在聚合物辅助水热生长条件下，采用水热法实现了KNN和KTN无铅压电一维纳米材料的取向生长，从热力学和动力学角度探讨了一维纳米材料的取向生长机制；(5) 采用静电纺丝工艺制备了NBT及KNN纳米纤维，通过叉指电极的设计获得了绝缘衬底上平行排列的KNN纳米纤维，利用PDMS进行封装并组装成机电转换元件，研究了无铅压电KNN纳米纤维的机电转换特性；(6) 以金属Nb箔片为衬底，通过调整热氧化工艺或水热合成工艺，分别实现了Nb2O5纳米线网络或纳米棒阵列的取向生长，并组装成Pt/ Nb2O5纳米线氢敏元件，室温下对氢气表现出灵敏度高、响应速度快和选择性好的特性，并从理论上分析了室温氢敏的物理机制，表明Nb2O5纳米线网络或纳米棒阵列是一种很好的室温氢敏材料。