CN103247839B

CN103247839B - 一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器及其控制方法

Info

Publication number: CN103247839B
Application number: CN201310112820.5A
Authority: CN
Inventors: 孟德佳; 陈长虹
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: CN103247839A

Abstract

本发明涉及超材料器件领域，提供了一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器及其控制方法；包括衬底，位于衬底上的MIT层，位于MIT相变层上的介质层以及位于介质层上的周期排列的金属开口谐振单元；通过改变MIT相变层的电导率实现在金属开口谐振单元谐振频率处吸收器的开或关；本发明利用MIT相变材料相变前后电导率的变化来改变吸收器的吸收率，实现了在金属开口谐振单元谐振频率附近可以实现开与关的太赫兹波MPA，达到了在太赫兹波段对特定频率处的电磁传输特性进行主动性控制，获得大的开关比或调制深度；采用衬底-二氧化钒-介质层-SRRs四层结构的开关可调MPA，通过外场控制二氧化钒的电导率，从而实现对MPA吸收率的控制。

Description

一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器及其控制方法

技术领域

本发明属于超材料器件领域，更具体地，涉及一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器及其控制方法。

背景技术

太赫兹（Terahertz，THz）波是频率介于0.1～10THz（波长为3000～30μm）的电磁波，位于电子学范畴处于电子学向光子学过渡的特殊位置，具有很多优越的特性，在国防军事，卫星通信，医疗诊断等方面显示出了广阔的应用潜力。

金属绝缘相变（Metal–Insulator Transition，MIT）材料具有在外场激励条件下，材料电阻率、晶体结构发生变化的特性。在光开关、光存储等领域具有广泛的研究与应用。

超材料（Metamaterials，MMs）是指一类人为的复合结构，具有天然材料所不具备的电磁特性。通过有目的设置单元器件结构，MMs在特定频率处获得奇异的等效介电常数和等效磁导率。

2008年Landy等人利用超材料实现了微波领域的超材料完美吸收器（Material Perfect Absorbers，MPA），通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数，使其对入射到吸收器的特定频率的电磁波实现几乎100%的吸收。随后，各种结构类型、不同工作波段的超材料吸收器相继出现。面对各种类型的MPA，大部分器件仅仅能实现吸收器的单一功能，但不能改变工作频率处的吸收率，更不能通过外场改变主动调控实现器件开关工作的目的。这限制了MPA的应用和发展。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器，旨在解决现有的吸收器不能对其吸收率进行调节的问题。

本发明提供了一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器，包括衬底，位于衬底上的MIT相变层，位于MIT相变层上的介质层以及位于介质层上的周期排列的金属开口谐振单元；通过改变MIT相变层的电导率实现在金属开口谐振单元谐振频率处吸收器的开或关。

更进一步地，所述MIT相变层的材料为二氧化钒，通过外场激励使得所述二氧化钒的电导率增大，在太赫兹波段吸收器的吸收率为1。

更进一步地，吸收器的尺寸小于等于工作波长的十分之一。

更进一步地，所述衬底材料为氮化硅、石英、硅或蓝宝石，衬底的厚度为200-450μm。

更进一步地，二氧化钒层是采用真空蒸发镀膜、溅射镀膜或溶胶-凝胶镀膜的方法获得，所述二氧化钒层的厚度为0.3-1μm。

更进一步地，所述介质层为聚亚酰胺，所述介质层的厚度为0.1-15μm。

更进一步地，所述金属开口谐振单元的厚度为0.15-1μm。

本发明采用衬底-二氧化钒-介质层-SRRs四层结构的开关可调MPA，通过外场控制二氧化钒的电导率，从而实现对MPA吸收率的控制。

本发明还提供了一种基于上述的太赫兹波超材料完美吸收器的调控方法，包括下述步骤：

通过改变二氧化钒层使其处于绝缘相来调节吸收器的吸收率为0

通过改变二氧化钒层使其处于金属相来调节吸收器的吸收率为1；

通过周期性的改变二氧化钒层的电导率实现吸收器的开或关。

本发明还提供了一种制作太赫兹波超材料完美吸收器的方法，包括下述步骤：

在衬底上采用沉积工艺生长二氧化钒层薄膜；

在二氧化钒薄膜上采用旋涂方法制作介质层；

在介质层上制作金属开口谐振单元图形。

更进一步地，采用离子束溅射或磁控溅射的方法生长二氧化钒层薄膜。

本发明具有加工工艺成熟、制作方法简单、全固态、室温可控和调控方法多样的优点；若对本发明进行进一步优化可实现在调控工作频率的同时，对非工作频率不产生影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器中金属超材料层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器的吸收率模拟结果曲线图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

MPA为一种基于MMs的吸收器，在自然界中很难找到具有吸收率近于100%的材料，所以MPA显得尤为重要。通过设计MPA的结构参数和选择适当的材料，可以使MPA的阻抗与外界达到匹配，使其反射率R为0；同时由于器件部分为不透光的金属材料，所以MPA的透射率T也为0。根据吸收率的计算公式A=1-T-R，可使得吸收率A达到100%，实现完全（美）吸收。

本发明提供的开关可控的太赫兹波MPA包括周期排列的单元器件，每一个单元器件包括衬底、位于衬底上的功能材料层、功能材料层上的介质层以及位于顶层的金属超材料；其中功能材料层选用二氧化钒；当二氧化钒层从绝缘相变成金属相，也即二氧化钒层发生MIT相变，吸收器的吸收率随着二氧化钒层电导率的改变也发生变化，实现了MPA在特定频率的开或关工作。

在本发明实施例中，二氧化钒电导率与MPA吸收率更详细的变化关系为：当二氧化钒处于绝缘相时，其电导率约10S/m，太赫兹波段透射率几乎100%，此时本发明所提供的器件在工作频段吸收率约为5%；对MPA外场激励后，二氧化钒产生MIT相变、电导率呈指数增加，二氧化钒层与顶层金属超材料之间产生耦合，耦合强度与二氧化钒的电导率成正比关系，同时二氧化钒的透射率也随电导率的增大而减小，MPA的吸收率呈上升趋势；当二氧化钒处于金属相时，其电导率可达到430000S/m，太赫兹波段透射率近乎为0，此时顶层金属超材料与二氧化钒层发生强烈耦合产生对工作频段的太赫兹波的近100%吸收。

其中，顶层的金属超材料可以采用金属开口谐振单元，在所用材料确定的情况下，顶层金属开口谐振单元决定吸收峰的位置，所以可通过改变顶层金属开口谐振单元的结构形状和尺寸大小来设计吸收峰的位置。该发明可作为现有太赫兹MPA的一个补充，具有潜在的应用价值。

现有的MPA中，通过设计MMs层的结构和尺寸，可实现不同频率处的完美吸收，或者说实现多频率处的完美吸收；可调控的MPA主要是改变器件的工作频率，现有的方法主要采用微机械（MEMS）结构或者液晶等可控开关介质的应用。这些方法虽然可以满足器件实现调控工作，但是微机械结构器件存在寿命和稳定性的问题、液晶器件也存在控制响应速率的问题。鉴于此，我们将固态相变功能材料二氧化钒应用到MPA中，该器件与微机械结构相比结构简单、因而可以提高稳定性，与液晶器件相比实现了器件的全固态化、也减小了器件的响应时间。二氧化钒具有可通过热、光、或者电场等外场改变来控制相变的特性，且具有相变温度高于室温、相变速度快和相变前后电导率变化大的优点，因此在红外探测领域已经使用非常广泛。本发明所提供器件中二氧化钒处于金属相时，具有较高的电导率，可以与顶层SRRs产生耦合使MPA产生极高的吸收率；同时，二氧化钒相变前后在太赫兹波段光谱透射率的变化正好也符合开关可控MPA对该层材料的要求。

我们设计出一种“衬底-二氧化钒-介质层-SRRss”四层结构的开关可调MPA，通过外场控制二氧化钒的电导率，从而实现对MPA吸收率的控制。如图1所示，太赫兹波MPA包括在太赫兹波段低传输损耗衬底1，MIT相变材料2、介质材料3和周期排列的金属开口谐振单元4；利用MIT相变材料相变前后电导率的变化来改变吸收器的吸收率，实现了在金属开口谐振单元谐振频率附近可以实现开与关的太赫兹波MPA，达到了在太赫兹波段特定频率处的电磁传输特性进行主动性控制，获得大的开关比或调制深度。

由于器件工作在太赫兹范围，单元器件尺寸应不大于工作波长的十分之一，应该在微米量级。其中衬底材料可以为氮化硅、石英、硅、蓝宝石等材料，厚度在200-450μm；二氧化钒层可采用真空蒸发镀膜、溅射镀膜、溶胶-凝胶镀膜等方法，厚度为0.3-1μm；介质层可选用在太赫兹波段低损耗的绝缘介质，如：聚亚酰胺，其厚度由绝缘介质的介电常数和损耗决定，一般为0.1-15μm；顶层金属超材料层为人工设计的金属开口谐振单元阵列，其厚度为0.15-1μm。

本发明顶层金属超材料的结构可以为各种开口谐振环结构，下面以电耦合谐振环结构（ELC）为例说明，如图2所示，各部分参数为：L_x=L_y=50μm、A_x=A_y=35μm、w=4μm、g=3μm、c=10μm；其中衬底选用蓝宝石衬底；二氧化钒层厚0.15μm,；介质层厚7μm，介电常数3.5，损耗角正切值0.0027；金属超材料层厚0.2μm。

根据上述参数，频率可调的太赫兹波超材料调制器经CST MWS模拟仿真软件进行结构与性能模拟，经数据处理后得出二氧化钒相变前后MPA的吸收率的情况，如图3所示，当二氧化钒处于金属相时，在1.2THz处可达到最大吸收率99.90%；当二氧化钒恢复到绝缘相时，在1.2THz处的吸收率仅为5.38%，开关比达到23.53dB，调制深度达到94.61%，实现了太赫兹MPA的开与关。图3中在2.376THz处有另一个吸收峰，由于产生原理与1.2THz处的吸收峰不同，我们不作讨论。

本发明实施例提供的开关可调的太赫兹波超材料完美吸收器的制作工艺包括下述步骤：

（1）在衬底上采用现有的各种沉积工艺生长VO₂薄膜和介质层；其中，可以采用诸如离子束溅射或磁控溅射等沉积工艺。

（2）继续在介质层上制作金属谐振单元图形；可以采用lift-off剥离技术制作金属谐振单元图形。

本发明实施例提供的太赫兹波超材料完美吸收器的控制方法具体包括下述步骤：

（1）通过改变二氧化钒层使其处于绝缘相来调节吸收器的吸收率为0

（2）通过改变二氧化钒层使其处于金属相来调节吸收器的吸收率为1；

（3）通过周期性的改变二氧化钒层的电导率实现吸收器的开或关。

其中，二氧化钒为3d过渡金属氧化物，具有在外场激励下发生MIT相变的特性，从绝缘（I）相变成为金属（M）相后，其电导率可增大3～5个数量级，表现出良好的导电性。这使得采用二氧化钒的MPA在可以通过外场激励达到对MPA的控制，而这种激励可以为热、光和电，使其应用范围更加广泛。随着电导率的改变，其在太赫兹波段的透射率也发生变化，I相二氧化钒对太赫兹波传输产生极小的损耗；M相二氧化钒可以达到全反射的效果。

本发明所提供的器件具有加工工艺成熟、制作方法简单、全固态、室温可控和调控方法多样的优点，且在调控工作频率的同时，对非工作频率不产生影响。在太赫兹探测、空间光通信等领域具有潜在的应用价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器，其特征在于，包括衬底，位于衬底上的MIT相变层，位于MIT相变层上的介质层以及位于介质层上的周期排列的金属开口谐振单元；通过改变MIT相变层的电导率实现在金属开口谐振单元谐振频率处吸收器的开或关；

所述MIT相变层的材料为二氧化钒，通过外加激励使得所述二氧化钒产生MIT相变、所述二氧化钒的电导率呈指数增大，所述二氧化钒与所述金属开口谐振单元之间产生耦合，耦合强度与所述二氧化钒的电导率成正比关系，而所述二氧化钒的透射率随着电导率的增大而减小，当所述二氧化钒处于金属相时，其电导率可达到430000S/m，太赫兹波段透射率近乎为0，此时所述二氧化钒与所述金属开口谐振单元之间发生强烈耦合并产生对工作频段的太赫兹波的100％吸收，即吸收器在太赫兹波段特定频率处的吸收率为1，实现了对太赫兹波段特定频率处的电磁传输特性的主动性控制，获得大的开关比或调制深度。

2.如权利要求1所述的太赫兹波超材料完美吸收器，其特征在于，吸收器的尺寸小于等于工作波长的十分之一。

3.如权利要求1所述的太赫兹波超材料完美吸收器，其特征在于，所述衬底材料为氮化硅、石英、硅或蓝宝石，衬底的厚度为200-450μm。

4.如权利要求1所述的太赫兹波超材料完美吸收器，其特征在于，二氧化钒层是采用真空蒸发镀膜、溅射镀膜或溶胶-凝胶镀膜的方法获得，所述二氧化钒层的厚度为0.3-1μm。

5.如权利要求1所述的太赫兹波超材料完美吸收器，其特征在于，所述介质层为聚亚酰胺，所述介质层的厚度为0.1-15μm。

6.如权利要求1所述的太赫兹波超材料完美吸收器，其特征在于，所述金属开口谐振单元的厚度为0.15-1μm。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的太赫兹波超材料完美吸收器的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

通过改变二氧化钒层使其处于绝缘相来调节吸收器的吸收率为0；

8.一种制作权利要求1-6任一项所述的太赫兹波超材料完美吸收器的方法，其特征在于，包括下述步骤：

在衬底上采用沉积工艺生长二氧化钒层薄膜；

在二氧化钒薄膜上制作介质层；

在介质层上制作金属开口谐振单元图形。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，采用离子束溅射或磁控溅射的方法生长二氧化钒层薄膜；采用旋涂方法制作介质层。