自组装磁性纳米颗粒与太赫兹波相互作用的基础研究

Terahertz (THz) electronic devices are one of the bottlenecks deterring the progress of THz science and technology, which is often limited by the weak interactions between THz wave and materials. Magnetic nanoparticles have many novel properties that are not observed in bulk materials and other types of nanostructures. However, their novel functions are barely utilized in THz science and technology. In this project, we will systematically study the interactions between self-assembled functional magnetic nanoparticles and THz wave. We will tentatively explore and synthesize magnetic nanoparticles that have strong interactions with THz wave. These nanoparticles will be characterized by THz time domain spectroscopy and THz pumping. We will also study the indirect interaction between magnetic nanoparticles with THz wave through THz functional thin films and/or metamaterials. In this project, the thrust is to promote the interdisciplinary research of THz science and colloidal magnetic nanoparticles, intending to provide new materials and solutions for THz electronic devices.

太赫兹波器件是太赫兹科学与技术发展的瓶颈之一，而它们往往受限于太赫兹波与材料之间较弱的相互作用。磁性纳米颗粒具有许多块体材料和其他纳米材料不具备的奇特的物理性质。然而，它们奇特的功能却很少在太赫兹科学和技术中使用。在此项目中，我们将系统的研究自组装的磁性功能纳米颗粒与太赫兹波的相互作用。我们将探索性地寻找和合成能够直接与太赫兹波有较强作用的磁性纳米颗粒，对其进行太赫兹波时域谱和泵浦表征。我们还将探索自组装的磁性纳米颗粒通过其它太赫兹功能材料或超结构间接地与太赫兹波作用的机理。通过该研究将促使太赫兹科学与磁性纳米颗粒这两个研究领域的交叉和融合，为太赫兹波器件提供新的材料体系和解决方案。

纳米颗粒具有特异的磁、光和电学性能，因此可能为开发新型的基于纳米颗粒的太赫兹波器件提供新的材料和方法。该项目创新性的提出探索自组装纳米颗粒与太赫兹波之间的相互作用，为开发新型的基于纳米颗粒的太赫兹波器件进行探路，推动太赫兹波与纳米颗粒这两个领域的交叉与融合。在该项目的支持之下，我们通过数值仿真对纳米颗粒合成的过程进行了完整的模拟，获得了合成条件如何影响纳米颗粒的尺寸、尺寸分布和浓度的规律，为更好的控制纳米颗粒的合成提供了很好的指导。通过将纳米颗粒与太赫兹折变材料复合，开发出了全光、宽频、低损耗和具有大幅度的太赫兹波相位调制方法，是继液晶以后的另外一种宽频太赫兹波相位调制方法。通过自组装纳米颗粒增强半导体太赫兹波光调制器的调制深度，探索了增强的机理，并开发了同时具有高调制深度和分辨率的太赫兹空间调制器。系统了的研究了石墨烯/硅复合二极管太赫兹波调制器的调制机理，并通过对机理的认识和纳米颗粒的使用，同时获得了最好的调制深度和调制速度。最后，开展了基于太赫兹超材料和纳米颗粒的太赫兹波调制器件的研究。通过该项目的研究，拓展了纳米颗粒在太赫兹波器件上的应用范围，为太赫兹波器件的设计提供了新的思路，达到了推动太赫兹波与纳米颗粒这两个领域交叉融合的目的。