CN104316169B - 一种基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，包括由下至上依次重叠的硅基底、金属层、氧化钒层、介质层和氧化钒光栅，各层为相同的矩形，构成长方体的吸波体单元，氧化钒光栅每一个栅条为矩形线条，平行于介质层矩形的边。栅条厚度为0.2～2微米，宽度为2～20微米；中心间距为6～40微米。吸波体单元长宽为100～500微米；金属层的材料是金、银、铜和铝中的任一种，介质层是聚合物层或者二氧化硅层，厚度为2～30微米；多个吸波体单元组成N×N紧密二维阵列，N≥10，使阵列长宽大于入射的太赫兹波束横径。本发明实现了太赫兹频段的超宽带吸收及吸收率可调，制作简单，成本低，且性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别涉及一种基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体。
背景技术
太赫兹波或称为THz射线是指频率在0.1至10THz的电磁波，介于微波与红外之间。太赫兹波对很多介电材料和非极性液体具有很强的穿透性和很高的安全性；太赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。
在太赫兹技术的开发和利用中，检测太赫兹信号具有举足轻重的意义。其中太赫兹探测器则是太赫兹系统的核心器件之一。
将太赫兹吸波体置于探测器的接收表面，能够大大提高太赫兹探测器的探测灵敏度和频率选择性。因而，太赫兹吸波体在太赫兹探测和太赫兹波隐身领域有十分重要的应用价值。要想在很宽的频率范围内实现探测，必须增大太赫兹探测器的频率响应范围，然而，现有的太赫兹吸波体的吸收带宽不宽，而且吸收带内吸收率不可调控，大大限制了太赫兹吸波体的性能和可应用的频谱范围。
氧化钒是一种具有皮秒级绝缘体-金属相变特性的金属氧化物,在热、光或者应力的作用下可由单斜结构的绝缘体态转变为四方结构的金属态。伴随着相的转变，氧化钒的光、电、磁等物理性质会发生可逆性突变。这种特性对太赫兹探测、太赫兹成像和太赫兹隐身具有十分重要的应用价值。
近年出现了基于二氧化钒的温控太赫兹波吸收器研究报道，如《电子元件与材料》2014年第33卷第8期的文章“基于二氧化钒的温控太赫兹波吸收器研究”；《光电子.激光》2011年第22卷第9期文章“氧化钒薄膜太赫兹波段频率特性研究”等。还有2012年4月公开的电子科技大学的发明专利“一种氧化钒复合薄膜及其制备方法”，就是可用于太赫兹探测器的材料，其由二维的氧化钒与零维的富勒烯以及一维的碳纳米管三种成分相复合而成，制备难度较高。
总之，现有报道中的基于氧化钒的太赫兹频段吸波体的性能不够稳定，结构较复杂，吸波频带不宽，带内吸收率不可调控，成本高，难以广泛实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其包括依次重叠的硅基底、金属层、氧化钒层、介质层及氧化钒光栅，实现了太赫兹频段的超宽带吸收，且性能稳定，易于制作。
本发明设计的一种基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，包括基底、金属层和氧化钒层，其特征在于其包括由下至上依次重叠的硅基底、金属层、氧化钒层、介质层和氧化钒光栅，硅基底、金属层、氧化钒层和介质层均为相同的矩形，各层的中心处于同一直线上、构成长方体的吸波体单元，所述氧化钒光栅每一个栅条都为矩形线条，且平行于介质层矩形的边。
所述的硅基底、金属层、氧化钒层和介质层的矩形长度和宽度为100～500微米，长和宽的比例为3：1～1：1；
所述的金属层的材料是金、银、铜和铝中的任一种，其厚度为0.05～1微米；
所述的氧化钒层厚度为0.1～2微米；
所述的介质层是聚合物层或者二氧化硅层，其厚度为2～30微米；
所述的氧化钒光栅栅条的厚度为0.2～2微米；每个栅条的宽度为2～20微米；栅条的中心间距为6～40微米；所述的氧化钒光栅各栅条的侧边缘、前端和后端距离介质层边缘的最小距离为2～12微米。
多个所述的吸波体单元组成N×N的紧密的二维阵列，N≥10，N值取决于实际应用时入射太赫兹波束的横截面积。为获得好的超宽带吸收效果，吸波体二维阵列的长或宽大于入射吸波体表面的太赫兹波束横截面直径的1～10倍。
与现有技术相比，本发明一种基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体所具有的优点：1、利用氧化钒的相变特性实现对太赫兹频段范围内吸收率的调控，本发明提出的基于氧化钒光栅的太赫兹吸波体结构，在常温下(25℃)产生超宽带吸收；当温度升高到68℃时，由于氧化钒的相变，吸收率会大幅度下降到常温吸收率的40％以下，这一特性对太赫兹波动态隐身意义重大；2、实现了太赫兹频段的超宽带吸收，当多个吸波体单元构成二维阵列，吸波频率范围可为1～6THz的整个太赫兹频段范围，吸收率达90％以上；3、吸波体单元制作简单，成本低，且性能稳定，吸波体单元二维阵列易于构成，且可根据入射的太赫兹波束直径确定二维阵列的边长，得到吸波频率范围符合要求的吸波体单元的二维阵列。
附图说明
图1为本基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体实施例单元立体结构示意图。
图2为本基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体实施例单元结构侧视图。
图3为本基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体实施例2×2二维阵列结构示意图。
图4为本基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体实施例25℃和68℃时太赫兹吸波体阵列的吸收曲线对比图。
图中：1为硅基底，2为金属层，3为氧化钒层，4为介质层，5为氧化钒光栅。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细介绍本发明。
本基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体实施例一个吸波体单元的结构如图1和2所示，最下层为硅基底1，硅基底之上依次为金属层2、氧化钒层3、介质层4和氧化钒光栅5。
本例硅基底1、金属层2、氧化钒层3和介质层4均为128微米×128微米的正方形，各层中心处于同一直线上、构成长方体的吸波体单元。
本例氧化钒光栅5每一个栅条都为矩形线条，且平行于介质层4矩形的边。本例氧化钒光栅的栅条厚度为0.2微米；每个栅条的宽度为8微米；栅条的中心间距为16微米；各栅条的侧边缘、前端和后端距离介质层4边缘的最小距离为4微米。
本例金属层2的材料是金，厚度为0.2微米，氧化钒层3的厚度为0.2微米，介质层4是厚度为15微米的聚合物。本例聚合物为聚酰亚胺。
本例硅基底，其厚度为400微米。
本实施例所用材料参数分别如下：常温下(25℃)，二氧化钒电导率为：130s/m；相变温度68℃时，二氧化钒电导率为：2.12×105s/m。金电导率为：4.09×107s/m；聚合物：介电常数实部为：2.88，损耗角正切(在1THZ频率下)为0.04。
本例采用薄膜沉积工艺制作。
图3所示为上述基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体实施例的4个吸波体单元构成的2×2紧密的二维阵列，即构成了长和宽均为原吸波体单元长和宽2倍的长方体，即构成长和宽均为256微米的长方体，其长和宽大于入射的太赫兹波束直径的2倍。
本例制作时硅基底1、金属层2、氧化钒层3和介质层4均为2×2单元面积大小的层，故各吸波体单元之间无间隙，二维阵列成一整体。
对上述本实施例太赫兹吸波体单元二维阵列进行仿真试验，仿真边界条件为周期性边界，太赫兹波垂直本例太赫兹吸波体的样片表面入射。
图4显示本实施例仿真试验常温下(25℃)和68℃时太赫兹吸波体单元二维阵列吸收曲线的对比，图中横坐标为频率f，单位为THz，纵坐标为吸波率A，实线为25℃时太赫兹吸波体单元二维阵列吸收曲线，虚线为68℃时太赫兹吸波体单元二维阵列吸收曲线。由此图可明显看到，在25℃时本实施例的太赫兹吸波体单元二维阵列可对频率在1～6THz范围内的太赫兹波的吸波率达90％以上，在2～6THz范围内的太赫兹波的吸波率达98％以上，当温度升高到68℃时，由于氧化钒的相变，本吸波体的太赫兹波吸收率大幅度下降到常温吸收率的40％以下。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，包括基底、金属层和氧化钒层，其特征在于：
包括由下至上依次重叠的硅基底(1)、金属层(2)、氧化钒层(3)、介质层(4)和氧化钒光栅(5)，硅基底(1)、金属层(2)、氧化钒层(3)和介质层(4)均为相同的矩形，各层的中心处于同一直线上、构成长方体的吸波体单元，所述氧化钒光栅(5)每一个栅条都为矩形线条，且平行于介质层矩形的边。
2.根据权利要求1所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
所述的硅基底(1)、金属层(2)、氧化钒层(3)和介质层(4)的矩形长度和宽度为100～500微米，长和宽的比例为3：1～1：1。
3.根据权利要求1所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
所述的金属层(2)的材料是金、银、铜和铝中的任一种，其厚度为0.05～1微米。
4.根据权利要求1所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
所述的硅基底(1)，其厚度为100～500微米。
5.根据权利要求1所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
所述的氧化钒层(3)厚度为0.1～2微米。
6.根据权利要求1所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
所述的介质层(4)是聚合物层或者二氧化硅层，其厚度为2～30微米。
7.根据权利要求1所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
所述的氧化钒光栅(5)栅条的厚度为0.2～2微米。
8.根据权利要求7所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
所述的氧化钒光栅(5)每个栅条的宽度为2～20微米；栅条的中心间距为6～40微米。
9.根据权利要求7所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
所述的氧化钒光栅(5)各栅条的侧边缘、前端和后端距离介质层边缘的最小距离为2～12微米。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于氧化钒光栅的太赫兹频段可调超宽带吸波体，其特征在于：
多个所述的吸波体单元组成N×N的紧密的二维阵列，N≥10，组成的二维阵列长或宽大于入射吸波体表面的太赫兹波束直径的1～10倍。
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