CN102751586B - 一种基于相变材料的可调谐左手超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于相变材料的可调谐左手超材料。通过在基于多层结构的左手超材料中引入相变材料，使其负折射率的工作频带具有可调谐性，从而解决左手超材料工作频段窄的技术问题。本发明利用相变材料介电系数随外加电场或温度改变而变化的特性，实现左手超材料工作频率的可调谐功能，最大调节幅度可达43％。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于相变材料(GST)的可调谐负折射率器件，可应用于微波工程、电磁隐身、医学成像和负折射率透镜等领域。
背景技术
左手材料的奇异电磁特性可以突破传统介质的物理极限，实现诸多新颖功能，例如，突破现有透镜的波长极限，实现具有亚波长成像特点的“完美透镜”；还可有效引导电磁波的传播路径，实现真正的电磁隐身，同时也面临着新的挑战，比如，左手超材料具有周期性结构，因此其负折射率的工作频段过窄，为了解决这些问题，人们做了很多尝试，由此形成了电磁学领域的一个新的热点：可调谐左手超材料。
1996年，Pendry提出通过金属线阵列实现负介电常数，用开口谐振环实现负磁导率。2000年，Smith 等人将这二者结合，制造出具有负折射特性的左手材料，并与2003年被Science评为十大科学进展之一。利用左手材料实现新型高指向性天线、可调天线罩、微波滤波器、陷波器、耦合器等微波器件的设想与研究已有很多报道，成为最前沿的科技领域之一。而具有频率可调谐性的左手超材料更是得到了人们的广泛关注。Shadrivov和Chen等人分别提出在开环谐振环结构中外加变容二极管来调节其频率特。Degiron等人设想在开环谐振环结构中引入电导率可调的半导体来实现可调左手材料。Zhao等人将开环谐振环结构浸在液晶之中，通过外加电场调节液晶的介电常数实现结构的频率可调谐性。
上述可调谐左手超材料，需要引入外加可调器件，将会增加超材料结构的复杂性。而液晶又具有流动性与腐蚀性，会给左手材料的实际应用带来很大的难度。
如可直接调节左手超材料的介电常数或磁导率，将有效简化可调谐左手超材料的实现难度，大大推进其实用化进程。因此，本发明提供一种基于相变材料的可调谐左手超材料。通过在金属层-相变材料层-金属层-氧化层基板上，制备具有周期性结构的孔阵列，使其具有可调谐负折射率，从而解决左手超材料工作频段窄的技术问题。本发明利用相变材料介电系数随外加电场或温度改变而变化的特性，实现左手超材料工作频率的可调谐，最大调节幅度可达43％。
发明内容
本发明针对上述可调谐左手超材料的问题，提供了一种基于相变材料的可调谐左手超材料，该器件具有结构简单、操作容易、 工作频率调谐范围大等特点。
本发明解决问题采用的技术方案如下：基于相变材料的可调谐左手超材料是基于多层结构的器件。其上具有周期性结构的孔阵列，使其具有负折射率和负磁导率，通过改变相变材料的介电常数，使负折射率和负磁导率的工作频率发生位移，从而实现可调谐左手超材料。所述的多层结构是通过在玻璃衬底上生长金属层、相变材料层、金属层和氧化层而成，金属层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米，相变材料层宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米；氧化层宽度在1微米至2厘米、高度在1纳米至1微米。金属层包括Al、Ag、Au、Cu、Ni。相变材料层包括GeTe, Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge2Sb2Te4, Ge3Sb4Te8, Ge15Sb85，Ag5In6Sb59Te30。氧化层包括In2O3、SnO2、ITO。所述的周期性孔矩阵孔是三角形、方形、圆形、椭圆形、弧形、十字形、六边形；孔的宽度在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米。周期性孔矩阵可以通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，如电子束曝光(E-beam lithography)、聚焦离子束曝光(Focus Ion Beam lithography) 和反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching, RIE)等，其特点是底部平坦，空壁光滑，侧面形状不限。
所述的多层结构可以通过材料生长工艺实现，如电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术
所述的基于相变材料的可调谐左手超材料可以通过控制外加电场或温度，改变相变材料介电系数，进而实现可调谐负折射率。
所述的基于相变材料的可调谐左手超材料可以通过控制外加电场或温度，改变相变材料介电系数，进而实现可调谐负磁导率。
本发明的测试系统由傅氏转换红外线光谱分析仪完成，通过傅氏转换红外线光谱分析仪对所述器件的传输光谱和反射光谱的幅度和相位分别进行测试，进而得到器件的折射率和磁导率。
附图说明
图1为可调谐左手超材料示意图。
图2为可调谐左手超材料制作流程示意图一。
图3为可调谐左手超材料制作流程示意图二。
图4为可调谐左手超材料测试结果图。
图5为可调谐左手超材料的各种形状示意图。
图中：1玻璃衬底，2多层结构，3金属层，4相变材料层，5氧化层，6掩膜，7周期性孔矩阵，8可调谐左手超材料，9基于多层结构的可调谐左手超材料，
具体实施方式
为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的材料生长技术包括：电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光和聚焦离子束曝光等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀,如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等常用工艺。
实施例1
首先，利用材料生长工艺在玻璃衬底1上形成N(N>=1)层多层结构(金属层3-相变材料层4-金属层3-氧化层5)2，如附图2(a)所示。
其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图2(b)所示。
然后，通过掩模工艺将设计好的周期孔矩阵样本转换到掩模上，如附图2(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性孔矩阵7，如附图2(d)所示
最后，移除掩模6，得到可调谐左手超材料8, 如附图2(e)所示。其中基于多层结构的左手超材料9，如附图2(f)所示。
实施例2
首先，利用材料生长工艺在玻璃衬底1上形成N(N>=1)层多层结构(金属层3-相变材料层4-金属层3-氧化层5)2，如附图3(a)所示。
其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图3(b)所示。
然后，通过掩模工艺将设计好的周期孔矩阵样本转换到掩模上，如附图3(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性孔矩阵7，如附图3(d)所示
最后，移除掩模6，在孔矩阵7内注入相变材料4封孔，得到可调谐左手超材料8, 如附图3(e)所示。其中基于多层结构的左手超材料9，如附图3(f)所示。
本发明测试系统主要由傅氏转换红外线光谱分析仪构成。可以通过控制外加电场或温度，改变相变材料介电系数，进而调谐所述左手超材料的负折射率和负磁导率的工作频率。所述器件的测试结果如附图4所示，器件的负折射率工作频率最大调谐范围可达43％。
综上所述，本发明提供的基于相变材料的左手超材料可以通过温度和外加电场对其负折射率和负磁导率的工作频率进行调谐，具有结构简单、操作容易、调谐范围大等优点。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。
Claims (5)
1.一种基于相变材料的可调谐左手超材料，其特征在于，该左手超材料是基于多层结构的周期孔阵列；所述的多层结构是通过在玻璃衬底上生长金属层、相变材料层、金属层和氧化层而成，金属层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米，相变材料层宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米；氧化层宽度在1微米至2厘米、高度在1纳米至1微米；周期性孔矩阵孔是三角形、方形、圆形、椭圆形、弧形、十字形或六边形；孔的宽度在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米；相变材料层是GeTe、 Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb2Te4、Ge3Sb4Te8、Ge15Sb85或Ag5In6Sb59Te30；所述的基于相变材料的可调谐左手超材料可以通过控制外加电场或温度，改变相变材料介电系数，进而调谐左手超材料中负折射率和负磁导率的工作频率。
2.根据权利要求1所述的可调谐左手超材料，其特征在于，金属层是Al、Ag、Au、Cu或Ni。
3.根据权利要求1所述的左手超材料，其特征在于，氧化层是In2O3、SnO2或ITO。
4. 根据权利要求1所述的可调谐左手超材料，其特征在于，多层结构通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长。
5.根据权利要求1所述的可调谐左手超材料，其特征在于，周期性孔矩阵通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光、反应离子束刻蚀。
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