DMSO掺杂PEDOTPSS薄膜太赫兹波段性能及其应用研究.doc

太赫兹波曾被称为远红外射线,其波长介于微波与红外波之间,研究领域属于电子学和光子学的交叉领域。太赫兹系统以其特殊的频率位置兼具了电子学系统和光学系统的优点。所以,太赫兹波在生物医学成像,材料表征,高速通信和国土安全等领域的应用存在巨大潜力。

近年来,人们对太赫兹波段光电子器件的需求急剧增加,这可以从太赫兹光学元件的发展中看到。然而,相比于激光技术,太赫兹技术转化为实际应用受限于诸多关键器件的发展不完善,对太赫兹波进行操纵的技术还较为落后,在太赫兹滤波、相位控制和调制方面的研究还有待进一步提高。缺乏响应快速、便于制作与集成小型化的调制器件和高性能的功能材料是制约太赫兹技术快速发展的重要原因之一,目前报道的许多太赫兹器件和功能材料都处于实验阶段,存在制作复杂、稳定性差、带宽窄等缺点,其性能尚不能达到实用化的要求。

因此,本文对太赫兹波段功能材料和调制器件进行研究。首先,研发了基于二甲基亚砜(DMSO)掺杂聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的太赫兹波段新型透明电极材料。研究了改进PEDOT:PSS电导率的方法,采用DMSO掺杂的方法提高了薄膜的电导率;不断改进和优化薄膜的制备工艺,制备出了一系列高质量的DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜;通过原子力显微镜表征了薄膜的表面形貌特征,通过四探针法表征了薄膜的导电性能,通过太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)测量了薄膜在太赫兹波段的透过率,并分析了DMSO的掺杂薄膜物理特性的影响;综合成膜质量,电导率和透过率三个方面,探索出最适合作为太赫兹透明电极的薄膜参数。

其次,研发了基于DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜的太赫兹新型抗反射涂层和中性

滤波片。制备了一系列掺杂不同浓度DMSO的PEDOT:PSS薄膜,用以探究其作为太赫兹波段抗反射材料和滤波材料的可能性;利用THz-TDS全面分析了DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜在太赫兹波段的抗反射性能;理论解释了DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜的抗反射原理;利用THz-TDS分析了DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜的滤波特性,计算了基于不同参数DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜中性滤波片在太赫兹波段的透过率和相应的光密度。再次,基于自主研发的透明电极分别设计和制作了太赫兹液晶相位调制器,太赫兹聚合物稳定蓝相液晶(PS-BPLC)调制器和PS-BPLC光栅。

介绍了向列相液晶的基本属性,理论分析了液晶相位调制器的相位延迟原理,从理论计算和实验测量两方面详细分析了该器件的相位调制能力;介绍了PS-BPLC的基本性质,用连续激光器测试了该PS-BPLC调制器的电控调制性能,通过电控散射现象解释了其调制原理;通过离子束溅射方法刻蚀了条纹状结构电极并应用在PS-BPLC一维光栅上,分析了该PS-BPLC一维光栅的调制原理,通过太赫兹全息成像系统测试了其衍射效应。最后,全面分析了DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜的介电性能,并基于该薄膜设计了一种太赫兹频率选择表面(FSS)。利用THz-TDS系统测量的时域信息计算出掺杂不同浓度DMSO的PEDOT:PSS薄膜在太赫兹波段的复折射率和复介电常数;介绍了Drude–Smith模型的推演过程,结合Drude–Smith模型详细分析了DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜的介电特性;将介电系数与Drude–Smith公式拟合,得到了载流子浓度、载流子迁移率和Drude–Smith模型参数的数值;根据所得DMSO掺杂PEDOT:PSS薄膜的Drude–Smith模型参数,设计了一个太赫兹十字交叉凹槽型FSS,通过CST Microwave Studio软件对其共振频率响应特性进行了仿真。