设计了一种基于二氧化钒和狄拉克半金属的滤波/传感太赫兹超表面。该超表面由基于狄拉克半金属的镜面对称双开口环以及具有矩形孔的二氧化钒薄膜构成。通过调控超表面中二氧化钒的电导率，可以实现传感器/滤波器两种功能的切换。结果显示：当二氧化钒处于绝缘态时，超表面工作在传感器模式，此时，增大样品厚度及样品与传感器的距离均可增大传感器的灵敏度；当二氧化钒处于金属态时，超表面工作在滤波器模式，滤波器在中心频率处的插入损耗为1.3 dB，回波损耗为12.7 dB。这种具有多功能的超表面在太赫兹传感器和滤波器等方面具有较高的应用价值。

太赫兹在高速通信、生物医学、无损检测、空间探测和安全防护等众多领域有广阔的应用前景，然而高灵敏室温太赫兹探测器是其亟待解决的难题之一。新兴拓扑材料特殊的光电子学性质为太赫兹探测开辟了新路径。基于第一性原理计算第II类狄拉克半金属NiTe₂的能带结构及拓扑表面态，采用机械剥离法得到NiTe₂纳米片，通过集成电路工艺制备金属-NiTe₂-金属场效应晶体管，并测量其太赫兹光电流响应。结果表明，室温下NiTe₂响应度可达2.44 A/W，噪声等效功率约为14.96 pW/Hz^1/2，在零偏压自驱动下，响应度仍有2.25 A/W，噪声等效功率下降到9.55 pW/Hz^1/2，可与同类探测器媲美，且具有较大的线性度范围，在空气中也具有良好的稳定性。该器件良好的性能对进一步促进室温太赫兹探测器实际应用及集成具有重要意义。

使用强场太赫兹泵浦二次谐波产生探测、研究外尔半金属TaAs中的三阶非线性响应过程。当泵浦太赫兹电场沿着TaAs（112）晶面的不同晶向时，强场太赫兹诱导的光学二次谐波信号展现出了不同的响应，这可以用泵浦太赫兹电场引入的三阶非线性极化来定量地解释，其中较大的zzzz分量可能起着重要的作用。

α-Sn(灰锡)是一种重要的拓扑材料, 据理论预测, 打破α-Sn的对称性可以得到拓扑绝缘体、拓扑半金属等多种拓扑相。目前α-Sn的研究以理论计算和角分辨光电子能谱研究能带结构为主, 受限于衬底条件, 高质量的α-Sn外延生长及其电输运性质的研究较少。本文结合课题组近几年在α-Sn薄膜外延生长和拓扑输运性质方面的研究进展, 系统地综述了高质量单晶α-Sn薄膜的分子束外延生长、电输运的测试方法及拓扑性质的验证。通过对输运性质的研究证实了α-Sn的狄拉克半金属相和自旋极化拓扑表面态, 进一步通过改变薄膜厚度和外加应力的方式来实现α-Sn拓扑性质的调控。以上工作不仅为进一步研究α-Sn的拓扑性质提供了重要依据, 也为基于α-Sn的新型量子器件研究提供了重要的材料基础。

狄拉克半金属是一种全新的拓扑量子材料, 因具有丰富而有趣的光学性质而受到人们的广泛关注。论文构建了基于狄拉克半金属Cd3As2、CdTe介质膜以及空气缺陷层组成的一维光子晶体, 采用传输矩阵理论模拟并揭示了光子晶体的反射率与透射率随温度、入射光波长以及入射角的演变规律。研究结果表明, 选择合适的结构参数, 光子晶体能够在中红外波段形成光子带隙, 随着温度的升高, 光子带隙的宽度逐渐变窄, 带隙波长范围内的反射率和透射率均逐渐减小; 当入射光为斜入射时, 随着入射角的增加, 光子带隙的带边和中心波长均发生蓝移, 对于p偏振光, 光子带隙的宽度逐渐减小, 而对于s偏振光, 光子带隙的宽度几乎不受入射角的影响。

提出了一种基于狄拉克半金属的宽带可切换双功能太赫兹极化转换器。该极化转换器由谐振结构和经聚乙烯环烯烃共聚物介质层隔开的金薄膜组成。通过调整狄拉克半金属的费米能级，设计的超表面可以从四分之一波片切换到二分之一波片。数值仿真结果表明：当费米能级为70 meV时，超表面为四分之一波片，可在1.955~2.071 THz频率范围内将入射的线极化波转换为左旋圆极化波，在2.606~3.490 THz频率范围内将入射的线极化波转换为右旋圆极化波，且在1.955~2.071 THz和2.606~3.490 THz两个频率范围内的椭圆率分别接近于±1；当费米能级为160 meV时，超表面为二分之一波片，在2.599~3.638 THz内可将y极化波转换为x极化波，极化转换率超过90%。此外，相比其他结构，该结构在较大的入射角下可以维持相同的性能，还可以通过改变狄拉克半金属的费米能级动态调节其极化转换性能。该设计方法可应用于无线通信、太赫兹传感和成像等领域中。

通过第一性原理计算了第Ⅱ类狄拉克半金属二碲化铂（PtTe₂）的能带结构及拓扑表面态，使用机械剥离法制备出层状PtTe₂，通过微纳加工制成金属-PtTe₂-金属场效应晶体管，并进行了基于第Ⅱ类狄拉克半金属PtTe₂的场效应晶体管器件在太赫兹波段的光电流响应研究。该器件对太赫兹具有明显的光响应，响应度达到了3.85 A/W，等效噪声功率约为4.81 pW·Hz^-1/2，其在低能尤其是太赫兹波段有着广泛的应用前景。

提出了一种基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器设计。利用二氧化钒的可逆相变特性来实现单/双波段功能之间的切换，当二氧化钒处于绝缘态时，通过改变狄拉克半金属的费米能级能量，可实现吸收峰值大小和位置的调控。数值仿真表明：当二氧化钒处于绝缘态且狄拉克半金属的费米能级能量设定为160 meV时，吸波器可以在0.97 THz和3.152 THz处出现两个吸收峰，吸收率分别为99.3%和99.7%，均超过了99%，说明在这两个谐振频率点处实现了几乎完美的吸收。而当二氧化钒变为金属态且狄拉克半金属的费米能级能量为160 meV时，吸波器在4.246 THz处出现一个吸收峰，吸收峰值超过98%。实际上，由于狄拉克半金属的存在，吸收率会受到费米能级能量的影响，仿真结果发现：当VO₂处于绝缘态时，狄拉克半金属费米能级能量对吸收峰值和谐振频率点有较大的影响；然而，当 VO₂处于金属态时，狄拉克半金属的费米能级能量几乎不会改变吸收峰值和谐振频率。为了验证吸波器的吸波机理，引入阻抗匹配理论对吸波器进行分析。所提出的可切换超材料吸波器可以广泛地应用于成像等领域。