太赫兹时域光谱技术（Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS）是一种基于太赫兹波与物质相互作用的先进检测手段，其独特的频段特性使其成为矿物材料研究的新兴工具。相较于传统表征技术（如X射线衍射、红外光谱），THz-TDS具有非破坏性、高相位灵敏度和宽频带覆盖的优势，能够穿透非极性材料并直接解析矿物晶体中低频晶格振动、氢键网络及结晶水动态等关键信息。通过捕捉太赫兹波的吸收系数、折射率及相位变化，该技术可精准识别矿物性质，量化孔隙结构，并实时追踪热解相变过程。这为地球科学、资源勘探及材料工程领域提供了从原子尺度到宏观性能的全链条分析能力。

结合该技术和矿物晶体的重要意义，中国地质大学（北京）数理学院黄昊翀教授课题组撰文综述探讨了THz-TDS的技术原理以及在各种矿物学相关特性分析中的应用，该研究的作者还包括数理学院硕士生刘璋、郑志远教授，罗切斯特大学Michael Ruggiero教授，地球科学与资源学院邱昆峰教授等，综述还探究了THz-TDS技术如何突破传统矿物表征瓶颈。

论文的主要工作分为以下几个部分:

1.THz-TDS技术原理：系统阐述THz-TDS检测物质的核心原理，通过数学模型（如折射率与吸收系数计算公式）揭示太赫兹波与矿物材料的相互作用机制。吸收机制方面，THz-TDS光谱响应主要受晶格振动、声子模式及分子间弱相互作用等影响，表现为光谱峰位、强度和带宽变化，温度波动、结构缺陷及介电常数也会显著影响太赫兹波的吸收特性，为研究矿物材料提供重要依据。

2.聚焦矿物晶体特征峰解析与动态监测：基于技术原理，THz-TDS检测矿物吸收光谱和折射率，可以揭示矿物成分变化对太赫兹吸收特征的显著影响，以及温度和结构缺陷对晶体结构和光谱特性的动态调节作用。通过分析矿物的吸收系数和折射率，结合机器学习算法，可以实现矿物类型的识别、纯度评估及晶体缺陷分析，并为复杂矿物成分的高精度定量检测提供理论支持。此外，THz-TDS也凭借其非破坏性和非侵入性特点，在文化遗产保护领域展现出独特价值，能够有效识别矿物颜料的吸收光谱，为古代壁画和文物的保护与鉴定提供新方法。

3.结晶水与孔隙结构的非破坏性表征：聚焦矿物水态分析与孔隙结构研究，THz-TDS能够区分吸附水、结晶水及结构水，结合密度泛函理论（DFT）模拟水分子与晶格的动态耦合，揭示水分子在矿物晶格中的振动模式及其对光谱特征的影响。同时，基于有效介质理论（EMT），建立孔隙率与折射率的定量关系模型，阐明孔隙结构对太赫兹波传播特性的影响，并在白云岩、绿泥石等天然矿物中得到验证。这些研究不仅为矿物水态分析提供了高灵敏度的检测手段，还为矿物孔隙结构的非破坏性测量开辟了新路径，为矿物资源开发与地质研究提供了有力支持。

4.热解相变与金属矿物识别应用：通过THz-TDS追踪碳酸盐矿物与硫化物矿物在热解过程中的光谱演化规律，可以揭示矿物在物质和晶体两个方面的热解相变机制与吸附性能的动态关联。同时基于THz-TDS可以实现对于金属矿物的鉴别，结合X射线荧光与主成分分析，作为传统技术的补充，可以提供对矿物结构及其转变的更深入理解，使其在地质研究、工业过程和环境勘探中的应用具有价值。

图1 封面设计——太赫兹、矿物晶体

图2 金属矿物表征图

(a) 不同质量混合比的黄铁矿热解产物的太赫兹光谱; (b) 吸收系数-折射率图; (c) 不同深度的TFe含量和光学参数的关系图; (d) 含量与吸收系数和反射指数的散点图

本项工作受到国家自然科学基金，优秀青年教师创新交叉团队建设项目，北京市科协青年人才托举工程项目，深时数字地球前沿科学中心等项目资助，成果发表在国际权威期刊《Crystal Growth & Design》上并被选为主封面文章：Haochong Huang,^*,Zhang Liu, Michael T. Ruggiero, Zhiyuan Zheng,^* Kunfeng Qiu, Shanshan Li, Zhuo Zhang, Zili Zhang, Terahertz Geoscience: THz Time-Domain Spectroscopy for Mineral Materials. Crystal Growth & Design. 2025. DOI：10.1021/acs.cgd.4c01423

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.cgd.4c01423