CN103138054B - 一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法，其中全电磁波诱导霍尔电压的装置包括衬底、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极；磁涡旋共振腔阵列包括至少一个三明治结构状的二维阵列，且二维阵列包括从上至下依次相连的上金属层、高介电系数材料层和下金属层，下金属层与衬底相连；叉指电极设在衬底上，并与下金属层相连。本发明提供了一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法，全电磁波诱导霍尔电压的装置结构简单，适用于任意频率的电磁波，能利用高频的磁涡旋共振模式诱导产生直流霍尔电压，且可以设计灵活可调的二维或三维周期磁涡旋共振腔阵列；另外，采用该装置诱导霍尔电压时，不需要外加偏置磁场，操作简便。

Description

一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法。

背景技术

金属微纳结构特异介质（Metamaterial）中的磁共振具有十分重要的应用前景。近年来，人们利用这一结构实现了众多新颖的电磁特性，例如，负折射效应、超分辨率成像、增强透射、等离子体共振诱导透明等。在这一领域，金属微纳结构的磁共振模式一直是人们极度关心的一个主要方向。在自然界的磁材料中，对微波以上的频段所有磁材料的磁响应逐渐减弱，直到完全没有磁性。然而，利用金属微纳结构，人们可以将人工材料的磁响应延伸到太赫兹波以上，甚至红外、可见光频段。一般来说，这种磁响应金属微纳结构是开口环结构，或者双棒（双板）结构。考虑到这种结构可以远小于入射波长，因此人们也称其为“人工磁原子”。从物理机制上看，就是入射电磁波的磁偏振在该结构中诱导出环形电流，在共振的情况下，将获得该材料的高频磁响应。自从科技人员提出这种高频磁响应人工结构以来，人们发现了几个相邻的人工磁原子之间还存在杂化效应（Hybridization effect）。基于杂化效应，人们设计发明了“人工磁分子”的各种器件，可以实现入射光的偏振控制。

2010年，《Science》期刊发表了Zheludev教授课题组的一篇论文[Vol.330,1510-1512(2010)]，首次探讨了金属微结构磁共振材料中的一种新颖的磁共振模式，即所谓的磁涡旋共振(Toroidal resonance)。这种磁涡旋共振，在物理上对应一类特殊的涡旋极矩（Toroidalmoment）。这种涡旋偶极矩与电偶极矩共振、磁偶极矩共振相对应，属于电磁散射多极展开式中的第三类极矩，由于其相关的效应非常微弱，长期以来一般被人们所忽略。不过在原子、分子、基本粒子等基础研究中越来越受到科学家的高度关注，具有极其重要的物理意义（涡旋极矩的空间、时间反演对称性同时破缺，而电偶极矩仅是空间反演对称性破缺，磁偶极矩仅是时间反演对称性破缺）。最近，人们在多铁材料中也观察到了这种磁涡旋的磁畴结构，并研究了其相关的磁电特性，但是在多铁材料中该磁涡旋畴相关的效应同样比较微弱。根据Zheludev教授组的工作，考虑到在金属微纳结构特异介质中可以实现涡旋极矩（即磁涡旋共振）的局域共振增强，从而有望在凝聚态物质的一个新的材料范畴内研究该特殊的涡旋极矩的各种光学特性。例如，非互易（Nonreciprocal）的光学传输、增强的非线性光学效应、二向色性（Dichroism）等。

然而，截止目前，在金属微纳结构中实现磁涡旋共振的人工结构设计屈指可数，并且具有明显的缺陷，且磁涡旋共振结构一般比较复杂，仅适合用于直流或低频器件，对高频的电磁波不起作用，故理论上预言的各种新颖光学功能器件，在金属微纳结构磁涡旋特异介质中得到验证的特性也是寥寥无几。另外，在现有技术中霍尔效应一般都是针对直流电流的，并且需要外加偏置磁场。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中诱导霍尔电压装置的结构比较复杂，需要外加偏置磁场，且仅适合用于直流或低频器件，对高频的电磁波不起作用等上述缺陷，提供一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法，其中，所述全电磁波诱导霍尔电压的装置结构简单，适用于任意频率的电磁波，能利用高频的磁涡旋共振模式诱导产生直流霍尔电压，且可以设计灵活可调的二维或三维周期磁涡旋共振腔阵列；另外，采用所述诱导霍尔电压的方法诱导霍尔电压时，不需要外加偏置磁场，操作简便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全电磁波诱导霍尔电压的装置，包括衬底、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极；磁涡旋共振腔阵列包括至少一个三明治结构状的二维阵列，且二维阵列包括从上至下依次相连的上金属层、高介电系数材料层和下金属层，下金属层与衬底相连；叉指电极设在衬底上，并与下金属层相连。

在本发明所述技术方案中，所述全电磁波诱导霍尔电压的装置包括衬底、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极，而磁涡旋共振腔阵列包括多个呈三明治结构状的二维阵列，且该二维阵列包括从上至下依次相连的上金属层、高介电系数材料层和下金属层；其中，一个二维阵列的下金属层与衬底相连，叉指电极又设在衬底上，且与二维阵列的下金属层相连，故所述全电磁波诱导霍尔电压的装置结构简单。

在本发明所述技术方案中，所述构成磁涡旋共振腔阵列的二维阵列包括三层结构，即上金属层、高介电系数材料层和下金属层，这三层构成三明治结构状。在电磁波入射的条件下，只要其电场偏振具有垂直于金属层的分量，就可以在与结构尺寸相对应的某个共振频率下激发出磁涡旋共振模式。产生磁涡旋共振时，该共振模式经多极分解后的散射强度以涡旋偶极矩成分为主，其他的电偶极、磁偶极成分可以忽略，这就证明了本发明所述技术方案中的磁涡旋共振腔阵列可以实现一种新颖的具有第三类极矩的共振模式，即磁涡旋共振。根据多铁材料体系的相关理论和实验研究，在多铁材料上加上一个静磁场使得则在与及相互垂直的方向上会出现电极化即与多铁系统中的这种磁电效应类似，在本发明所述的磁涡旋共振阵列结构中，其所具有的动态交变涡旋极矩在入射电磁波的作用下，也可以实现相似的“磁电效应”。与现有技术相比，本发明所述全电磁波诱导霍尔电压的装置不需要外加磁场，当磁涡旋共振腔的尺寸远小于入射电磁波的波长时，入射电磁波的磁场分量在准静态近似的条件下可以等效地起到均匀“外加磁场”的作用，然后再利用该磁涡旋共振阵列的集体增强效果，可以从叉指电极上获得较大的霍尔电压信号。故本发明所述全电磁波诱导霍尔电压的装置适用于任意频率的电磁波，且能利用高频的磁涡旋共振模式诱导产生直流霍尔电压。

在本发明所述技术方案中，所述二维阵列的高介电系数材料层的厚度及折射率、上金属层和下金属层的半径及厚度决定了磁涡旋共振频率，故所述磁涡旋共振腔阵列的共振频率具有连续可调的特点，可以将任意频率的电磁波转化为直流的霍尔电压。

在本发明所述技术方案中，所述磁涡旋共振腔阵列包括至少一个三明治结构状的二维阵列，即多个二维阵列可以叠加，又因为该三明治结构状的二维阵列的磁涡旋共振模式是非辐射性的，相邻磁涡旋共振腔之间不会产生明显的相互作用，这样就可以设计灵活可调的二维或三维周期磁涡旋共振腔阵列，获得多个磁涡旋共振腔霍尔电压的集体增强效应。

在本发明所述技术方案中，所述叉指电极设在衬底上，布线宜细且靠近磁涡旋共振腔的两端，并与下金属层相连，便于引出磁涡旋共振腔阵列的集体霍尔电压信号。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，在磁涡旋共振腔阵列中，多个二维阵列逐层叠加。上一个二维阵列的下金属层和下一个二维阵列的上金属层相连，组成三维磁涡旋共振腔阵列。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，叉指电极包括交错排列的正极指部和负极指部。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，高介电系数材料层为半导体层。在本发明中，可以采用硅、锗等半导体材料作为高介电系数材料层，只要其在磁涡旋共振模式的响应频率下具有高的介电系数即可，最好其本身对入射电磁波没有明显的吸收。

一种利用上述全电磁波诱导霍尔电压的装置诱导霍尔电压的方法，包括以下步骤：

步骤一：利用偏振片将入射电磁波转变为偏振电磁波，且入射电磁波的频率与磁涡旋共振腔阵列的响应频率相等；

步骤二：将经过步骤一获得的偏振电磁波沿磁涡旋共振腔阵列的侧面入射到上述全电磁波诱导霍尔电压的装置上，并使其偏振方向与上金属层所在的平面不平行，即会产生霍尔电压。

在本发明所述技术方案中，首先利用偏振片将入射电磁波转换为偏振电磁波，然后将该偏振电磁波沿磁涡旋共振腔阵列的侧面入射到全电磁波诱导霍尔电压的装置上，并使其偏振方向与上金属层所在的平面不平行，即只要电磁波的电场偏振具有垂直于上下金属层的分量即可。此时，在磁涡旋共振的条件下，由于入射电磁波的磁场偏振在准静态条件下可以等效地起到均匀“外加磁场”的作用，因此所述全电磁波诱导霍尔效应的装置的两端就会发生净载流子的积累，然后再利用该磁涡旋共振阵列的集体增强效果，可以从叉指电极上获得较大的霍尔电压信号。故与传统方法相比，本发明所述技术方案不需要外加偏置磁场就能诱导交流霍尔电压，且操作简便。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，入射电磁波为微波、毫米波、太赫兹波、红外线或可见光。根据磁涡旋共振响应的普遍规律，共振频率与共振结构的几何尺寸近似成反比例关系。因此，对应不同波段的入射电磁波，只要将本发明所述的磁涡旋共振腔阵列的几何尺寸作出相应的缩放，保证其磁涡旋共振腔的响应频率等于入射电磁波的频率即可实现微波、毫米波、太赫兹波、红外或可见光波的全电磁波霍尔电压。另外，在本发明所述技术方案中，当入射电磁波为微波、毫米波等较低频段的电磁波时，上金属层和下金属层可以选择铜、金、银等金属材料制备；当入射电磁波为红外、可见光等较高频段的电磁波时，上金属层和下金属层应该选择金、银等低损耗的贵金属材料。

另外，在本发明所述技术方案中，凡未作特别说明的，均可通过采用本技术领域中的常规技术实现本技术方案。

因此，本发明的有益效果是提供了一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法，其中，所述全电磁波诱导霍尔电压的装置结构简单，适用于任意频率的电磁波，能利用高频的磁涡旋共振模式诱导产生直流霍尔电压，且可以设计灵活可调的二维或三维周期磁涡旋共振腔阵列；另外，采用该装置诱导霍尔电压时，不需要外加偏置磁场，操作简便。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明全电磁波诱导霍尔电压的装置的结构示意图；

图2是二维阵列的结构示意图；

图3是叉指电极的结构示意图；

图4是入射电磁波诱导的磁涡旋共振在半导体层中的磁场分布；

图5是入射电磁波诱导的磁涡旋共振在上金属层和下金属层中的诱导电流分布；

图6是磁涡旋共振腔阵列对电磁波散射的多极开展的理论计算结果；

图7-1和图7-2是仿真结果，其中，图7-1是金属夹层为低介电材料或真空时的载流子分布，图7-2是金属夹层为高介电系数材料层时的载流子分布；

图8是入射电磁波在整个周期交变状态内霍尔电压的变化情况；

现将附图中的标号说明如下：1为衬底，2为二维阵列，3为叉指电极，4为上金属层，5为高介电系数材料层，6为下金属层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明优选实施例如下：

如图1所示，本实施例所述全电磁波诱导霍尔电压的装置包括衬底1、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极3，其中，磁涡旋共振腔阵列只包括一个呈三明治结构状的二维阵列2，该二维阵列2设在衬底1上，而叉指电极3置于二维阵列2上。

如图2所示，二维阵列2为呈圆盘状的三明治结构，包括从上至下依次相连的上金属层4、高介电系数材料层5和下金属层6，在本实施例中，高介电系数材料层为半导体层；下金属层6与衬底1相连，叉指电极3设在衬底1上，并与下金属层6相连。

如图3所示，叉指电极3包括正极指部和负极指部，且正极指部和负极指部相互交错排列。

利用本实施例上述装置诱导霍尔电压的方法，包括以下步骤：

步骤一：利用偏振片将入射太阳光转变为偏振光，且入射太阳光的频率与二维阵列2的磁涡旋共振响应频率相等；

步骤二：将经过步骤一获得的偏振光沿二维阵列2的侧面入射到上述全电磁波诱导霍尔电压的装置上，并使其偏振方向垂直于上金属层4所在的平面，即会产生直流霍尔电压。

如图4所示，入射电磁波诱导的磁涡旋共振在半导体层中的磁场分布呈涡旋状；而如图5所示，入射电磁波诱导的磁涡旋共振在上金属层4和下金属层6中的诱导电流分别从圆盘的圆周向中心聚合和从圆盘的圆心沿径向发散。

图6为磁涡旋共振腔阵列，即二维阵列2对电磁波散射的多极开展理论计算结果，可以看出，其在130THz时具有明显的涡旋极矩Tz。

如图7-1所示，当金属夹层为空气时，磁涡旋共振的诱导载流子分布是关于圆心对称的，不具有明显的霍尔效应；而当金属夹层为硅时，即如图7-2所示，磁涡旋共振腔的两端出现了载流子的不对称积累，具有明显的霍尔效应，此时太阳光的磁场分量可以根据准静态条件近似为常规霍尔电压装置中需要的外加磁场。

图8是入射电磁波在整个周期交变状态内霍尔电压的变化情况，可以看出，在入射太阳光的整个周期交变状态内，载流子的不对称积累仅出现在二维阵列2的左边，尽管其大小是随太阳光相位变化而变化的。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种全电磁波诱导霍尔电压的装置，其特征在于，包括衬底（1）、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极（3）；所述磁涡旋共振腔阵列包括至少一个三明治结构状的二维阵列（2），且所述二维阵列（2）包括从上至下依次相连的上金属层（4）、高介电系数材料层（5）和下金属层（6），所述下金属层（6）与衬底（1）相连；所述叉指电极（3）设在衬底（1）上，并与下金属层（6）相连；在所述磁涡旋共振腔阵列中，多个二维阵列（2）逐层叠加在一起。

2.根据权利要求1所述的全电磁波诱导霍尔电压的装置，其特征在于，所述叉指电极（3）包括交错排列的正极指部和负极指部。

3.根据权利要求1所述的全电磁波诱导霍尔电压的装置，其特征在于，所述高介电系数材料层（5）为半导体层。

4.一种利用权利要求1所述的全电磁波诱导霍尔电压的装置诱导霍尔电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用偏振片将入射电磁波转变为偏振电磁波，且入射电磁波的频率与磁涡旋共振腔阵列的响应频率相等；

步骤二：将经过步骤一获得的偏振电磁波沿磁涡旋共振腔阵列的侧面入射到所述全电磁波诱导霍尔电压的装置上，并使其偏振方向与上金属层所在的平面不平行，即会产生所述霍尔电压。

5. 根据权利要求4所述的全电磁波诱导霍尔电压的装置诱导霍尔电压的方法，其特征在于，所述入射电磁波为微波、毫米波、太赫兹波、红外线或可见光。