基于弛豫铁电单晶的太赫兹波调制机理及应用基础研究

Relaxor ferroelectric single crystals exhibit excellent dielectric modulation and electro-optical properties. Researching on the terahertz mechanism and application of such materials can be an effective way to optimize terahertz modulator for modulation depth and speed in the area of wireless communications. This project will study the terahertz modulation characteristics and devices of the relaxor-based ferroelectric single crystals Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) and In-doped PMN-PT, which are very important functional materials and cause widespread concern in the international piezoelectric and ferroelectric academic fields. Firstly, we will analyses the physical mechanisms of the interaction between dielectric characteristics and domain reversal induced by electric field in ferroelectric materials. The best modulation and polarization status are researched combine with electro-optical effect. Secondly, we will use terahertz time-domain spectroscopy in transmission and reflection mode to measure the dielectric permittivity, absorption coefficient and refractive index dispersion curves of the single crystals, and to study the modulation characteristics of dielectric permittivity and absorption coefficient under the electric field. Finally, we will design the metamaterial structure based on ferroelectric single crystal, and develop electrically controlled terahertz modulation devices. This work can guide the research, analysis, and design of high modulation depth terahertz modulation devices and has a high practical value.

太赫兹调制器件是太赫兹研究领域中非常重要的一部分，在无线通信等领域具有较高的研究和实用价值。本项目针对现有太赫兹调制器件研究及应用中器件调制深度低和调制速度慢等瓶颈问题，提出利用具有优异介电调制特性和电光性能的热点材料体系——弛豫铁电单晶铌（铟）镁酸铅-钛酸铅，研究并制备高调制深度和高调制速度的太赫兹调制器件。该研究从介电调制机理出发，分析电致畴反转等物理现象对单晶材料介电特性的影响，建立畴结构与材料太赫兹介电性能关联性模型，找寻单晶具有优异介电特性时的最佳极化状态和最佳介电调制状态；采用透射及反射模式太赫兹时域光谱系统测量单晶的吸收系数、复介电常数等色散曲线，并研究电场作用下，晶体在太赫兹波段的电磁波特性；设计以铁电单晶为基体的超材料结构模型，制备出太赫兹电控调制原型器件，并测试器件性能。本项目的预期研究成果对实现高调制深度和高调制速度太赫兹调制器件的基础研究和设计应用具有指导意义。

太赫兹调制器件是太赫兹研究领域中非常重要的一部分，在无线通信等领域具有较高的研究和实用价值。本项目针对现有太赫兹调制器件研究及应用中器件调制深度低等瓶颈问题，提出利用具有优异介电调制特性和电光性能的热点材料体系PIN-PMN-PT单晶，研究并制备基于超材料的太赫兹调制器件。该研究从弛豫铁电单晶结构及场诱导下电畴结构变化出发，分析晶体的电致畴反转等的物理现象对材料介电特性的影响，系统研究PIN-PMN-PT单晶的介电特性、电光特性与晶体的极化方向、畴结构、外加电场等之间的联系，揭示此类弛豫铁电单晶优异介电调制性能的形成机理；采用透射及反射模式太赫兹时域光谱测量单晶在太赫兹波段的复介电常数、吸收系数、复折射率色散曲线，利用反射模式研究材料的高介电系数造成的界面反射效应；研究不同频率和强度电场作用下，晶体介电常数和吸收系数、调制深度和速度等太赫兹波特性；设计基于超材料的太赫兹器件结构模型，利用线性分析理论对模型进行计算，得到超材料的介电常数、相对调制深度与外加电场的理论曲线；在上述研究的基础上，采用光刻等工艺手段，开发出基于超材料的太赫兹波电控调制原型器件，并对器件性能进行测试分析。本项目的研究成果对实现高调制深度太赫兹调制器件的基础研究和设计应用具有指导意义。