可调谐天然材料掺杂型锰钙钛矿的负折射特性研究

本项目拟研究铁磁共振时，天然材料掺杂型锰钙钛矿单层膜在GHz 波段的负折射特性。由于这种天然材料的负折射性质不需要构造特定的周期性空间结构，降低了材料的制备难度，并使得材料易于应用于各种器件中。同时，此类材料具有一般人造负折射材料不具备的可调谐性，可通过改变外磁场的强弱控制材料的工作频率。但锰钙钛矿材料本身种类繁多，性质各异，通过实验的方法寻找性能优良的材料即费时又费力，有较大的盲目性。因此本项目拟首先理论计算材料在铁磁共振时的介电常数和磁导率，探讨材料的微波负折射特性，比较、分析计算结果，指导实验选材。然后选取合适的材料制备样品，测试性能，以期获得性能优越的负折射材料。同时，本项目还将使用固体能带理论分析材料各种内禀因素对材料负折射性能的影响，为实验工作提供理论依据。

本项目研究了铁磁共振时，天然材料锰钙钛矿的负折射特性。此类材料具有一般人造负折射材料不具备的可调谐性，可通过改变外磁场调节材料的工作频率。锰属于过渡金属，而电子强关联效应对过渡金属氧化物的影响至关重要，必须先确定锰钙钛矿中电子强关联的强弱。我们利用密度泛函理论，研究了电子强关联效应对锰钙钛矿电子结构的影响，通过比较分析获得了合适的在位库仑能。我们接着研究了Jahn-Teller(JT)效应和电子强关联的相互作用，发现电子强关联对JT畸变起到抑制的作用。要获得负的磁导率，材料必需发生铁磁共振现象，即材料必需保持铁磁性，因此居里温度Tc至关重要，它决定了材料应用的温度范围。基于此，我们研究了晶格结构对锰离子eg电子带宽的影响，发现带宽主要取决于平均Mn-O-Mn键角的大小，受平均Mn-O键长的影响很小，并分析了原因。接下来，我们利用Landau-Lifshitz-Gilber模型理论研究了铁磁共振频率随外磁场的变化情况，发现通过控制外磁场，能够在10GHz~1000GHz的广阔频段内调节负折射率材料的工作频率，理论计算结果与实验数据十分吻合，同时我们还分析了此类材料在铁磁共振时的电磁波传播特性。另外，我们还研究了外磁场对可调谐自组织磁流体光子晶体负折射特性的影响，研究表明可通过调节外磁场改变材料的等效负折射率，使得制作焦距可调的液体负折射平板透镜成为可能。本项目还设计、制备了负折射二维光子晶体棱镜，在10.6μm的光频段对棱镜的负折射特性进行了实验测量。实验发现，棱镜的有限高度以及上、下覆层的不对称性，确实会对棱镜的等效折射率产生影响。接着，我们设计了新型的实验方法，通过巧妙设计光路，使二维光子晶体棱镜运动时透射光束光程发生变化，利用与双光束拍频干涉法，产生一个能够判断多普勒频移的正负特性的阈值。为此，我们搭建了自主设计的实验装置，利用自制的实验平台，在国际上首次在负折射率材料中观测到了光频段的反常多普勒现象。由于工作的重要性和创新性，其受到了国内外同行的广泛赞誉，其中斯坦福大学Reed教授和普渡大学的纳米光子学中心主任Shalaev教授分别发表了相关评论文章，并给予高度评价。新华社、文汇报、科技日报、澳大利亚广播公司(ABC)、Laser Focus World杂志、NPG Asia Matreials网站等媒体也对我们的工作进行了报导。