基于时域光谱测定的固体太赫兹吸收及介电性质表征

论文摘要

超快激光技术和半导体材料的进步使太赫兹波的产生和探测效率得到了大幅提高,太赫兹波的相关研究在近二十年来飞速发展,无论是太赫兹波的产生、探测、调制还是应用研究,都需要深入理解太赫兹波与目标物质之间相互作用,而太赫兹时域光谱系统可以提供太赫兹波在穿透待测样品后每一个频率成份上幅值和相位的变化信息,是在太赫兹波段（0.3-3.0 THz）研究光与物质的相互作用的最佳工具。本文利用透射式太赫兹时域光谱系统对固态样品展开了表征研究,涉及的固态样品包括有机物单质晶体、药物共结晶以及高分子聚合物,表征的内容包括幅值变化提供的太赫兹吸收谱,以及相位变化提供的介电谱。研究主要内容和创新点如下:1)在晶体太赫兹吸收谱的形成机制研究中,利用量子化学计算成功对谷氨酰胺太赫兹吸收特征进行了振动模式的匹配,在研究过程中通过对计算所用初始构型的调整,使计算模拟的吸收谱向实验吸收谱不断逼近,体现了分子间作用对谷氨酰胺太赫兹频段内太赫兹吸收特征的影响。该研究对于考察物质中分子内作用和分子间作用对太赫兹吸收特征形成的主导程度提供了新的线索和证据。2)在共结晶及多晶型的太赫兹吸收谱表征研究中,利用太赫兹波对分子间作用的敏感响应,观察到了两种物质之间共结晶的形成,并对共晶产物中的多晶型现象进行了吸收特征分辨,对共晶产物亚稳态在自然条件下向稳态晶型转换的过程,利用太赫兹时域光谱技术的快速响应对转换过程进行了原位监控,实现了晶型转换过程的量化表征。该研究展示了太赫兹光谱技术在共结晶药物研发领域的应用前景,对晶型转换机制研究提供了新的监测表征手段。3)建立了适用于透射式太赫兹时域光谱系统对固态样品进行表征后的介电分析模型,对聚乙烯和聚四氟乙烯实现了精确的介电常数测定,并利用测定的介电常数及提出的介电分析模型对二者不同配比的混合物进行了介电常数预测,预测值与实验值保持了高度的一致性。该研究提出的介电分析模型可以扩展到更多的高分子材料单质及其混合物的太赫兹介电性质分析中,对太赫兹波段的聚合物材料介电性质设计提供了一种新的途径。4)提出了聚合物载体中固态样品太赫兹极化率的分析提取方法,该方法能够广泛的应用于太赫兹波段的强吸收物质。利用该方法我们实现了阿司匹林与三种氨基酸的太赫兹极化率精确测定,并且针对晶格信息可能无法获取的情况提出了相应的解决办法,扩大了方法的适用范围,利用本方法测得的极化率作为一项物质基本参数,将来可以用于研究固体的硬度、熔点、溶解度等宏观性质。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 引言

1.1 课题背景及研究意义

1.2 太赫兹波的产生和探测

1.2.1 脉冲太赫兹波的产生和探测

1.2.2 连续太赫兹波的产生和探测

1.3 太赫兹光谱在固态物质表征中的研究综述

1.3.1 固态样品太赫兹表征信息的精确获取

1.3.2 晶体太赫兹振动模式的理论计算

1.3.3 药物研究中的太赫兹表征

1.3.4 聚合物的太赫兹表征

1.3.5 固态样品的太赫兹极化率表征

1.4 本文的研究内容和章节安排

1.4.1 论文的主要内容

1.4.2 论文章节介绍

2 太赫兹时域光谱系统及相关理论

2.1 太赫兹时域光谱仪

2.1.1 飞秒激光器

2.1.2 光学系统平台

2.1.3 数据采集系统

2.2 固态样品太赫兹表征的实验方法

2.3 固态样品太赫兹光学参数的提取方法

2.3.1 太赫兹时域信号与频域信号

2.3.2 太赫兹吸收谱和介电谱的数据提取方法

2.4 基于太赫兹吸收谱的固体样品定量分析

2.4.1 Beer-Lambert定律

2.4.2 最小二乘法用于吸收谱定量分析

2.5 基于量子化学计算的晶体太赫兹吸收特征微观解析

2.5.1 量子化学计算与太赫兹吸收特征

2.5.2 本文涉及的量子化学计算软件

2.5.3 本文所用量子化学计算平台

3 固态样品太赫兹时域光谱的预处理

3.1 研究背景

3.2 时域光谱预处理的意义

3.3 不当预处理对太赫兹光谱的干扰

3.4 预处理方法的改进及应用

3.4.1 预处理方法的改进

3.4.2 实验验证

3.5 本章小结

4 晶体太赫兹吸收谱的形成机理

4.1 研究背景

4.2 谷氨酰胺的太赫兹实测吸收谱

4.3 三种初始构型与量化计算软件模拟

4.4 模拟结果与实验结果的对比及分析

4.5 本章小结

5 共结晶及多晶型的太赫兹吸收谱

5.1 研究背景

5.2 共结晶药物的获取和太赫兹表征

5.2.1 三种水杨酸共结晶体系

5.2.2 共结晶样品的合成

5.2.3 共结晶样品的太赫兹时域数据采集

5.3 共结晶样品太赫兹表征结果及分析

5.3.1 2（SA）·（BPE）-Ⅰ&Ⅱ和2（SA）·（BPEth）的太赫兹吸收谱分析

5.3.2 2（SA）·（BIPY）-Ⅰ向2（SA）·（BIPY）-Ⅱ转换的太赫兹监控

5.4 本章小结

6 聚合物的太赫兹介电分析

6.1 研究背景

6.2 包含孔隙度影响的LLL模型

6.3 聚合物单质和混合物样品的制备

6.4 实验结果分析

6.4.1 聚乙烯和聚四氟乙烯的单质介电常数测定

6.4.2 共混聚合物的太赫兹介电常数实验测定结果

6.4.3 共混聚合物介电常数的有效介质模型模拟值

6.5 本章小结

7 聚合物载体中固体的太赫兹极化率测定

7.1 研究背景

7.2 体系密度对太赫兹极化率测定的影响

7.2.1 太赫兹极化率与介电常数的关系

7.2.2 聚合物载体中固体材料的两种体系密度

7.3 基于晶格密度的太赫兹极化率测定

7.3.1 样品信息

7.3.2 样品制备步骤

7.3.3 实验结果分析

7.3.4 阿司匹林太赫兹极化率测定总结

7.4 无晶格信息情况下的太赫兹极化率测定

7.4.1 样品信息

7.4.2 由晶格信息提取的氨基酸介电常数谱

7.4.3 基于线性拟合的氨基酸太赫兹介电常数提取

7.4.4 基于压片密度的氨基酸极化率获取

7.4.5 三种氨基酸太赫兹介电常数及极化率测定小结

7.5 本章小结

8 结论

8.1 结果与讨论

8.2 论文主要创新点总结

8.3 后续研究展望

参考文献

作者简历及在学研究成果

学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张天尧

导师: 张朝晖

关键词: 太赫兹时域光谱,固态样品,吸收谱,介电谱,极化率

来源: 北京科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,电力工业,无线电电子学

单位: 北京科技大学

分类号: O441.4

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