CN107579354A - 基于双谐振环结构、可切换的宽频太赫兹波完美吸收体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于双谐振环结构、可切换的宽频太赫兹波完美吸收体。本发明提供一种基于双谐振环结构、可切换的宽频太赫兹波完美吸收体，包括底层金属层，第一介质层，第一金属微纳结构层，第二介质层，第二金属微纳结构层，其中第一介质层和第一金属微纳结构层之间包括二氧化钒层。本发明还提供制备所述太赫兹波完美吸收体的方法。本发明的结构使得多种振动模式相互耦合，实现了太赫兹波的宽谱完美吸收，还利用二氧化钒随温度变化发生相变的性质，实现了在两个宽频段可切换的太赫兹波完美吸收。

Description

基于双谐振环结构、可切换的宽频太赫兹波完美吸收体

技术领域

本发明提出一种基于双谐振环结构，以及利用二氧化钒相变性质的新型太赫兹波完美吸收体，可实现通过温度控制的双宽带频段可切换的完美吸收。

背景技术

电磁完美吸收体是可以将电磁辐射完全吸收的一种器件，天然的吸波材料受到很多限制，超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工材料，利用超材料设计的完美吸收体具有吸收率高却只有亚波长厚度的优点逐渐引起了重视，超材料完美吸收体结构一般分为三层，金属微纳结构层、介质损耗层和金属反射层。通过金属阵列层激发等离激元共振，使得电磁波被介质损耗层吸收，金属反射层阻止了电磁波的透射，从而实现完美吸收。超材料完美吸收体的问题在于，很难实现可调控宽频带完美吸收体。

二氧化钒被广泛用于智能控温领域，因其相变温度为68℃，相变前后结构变化导致其在相变温度以上呈金属态，具有导电性；相变温度以下呈绝缘态，且该相变为可逆相变。利用此性质二氧化钒可以用于制造光学器件。

发明内容

发明人发现可以利用二氧化钒相变的性质与超材料完美吸收体结合，将二氧化钒做成完美吸收体结构作为上半部分，金属完美吸收体结构作为下半部分，当温度高于二氧化钒相变温度时，完美吸收体的上半部分二氧化钒结构部分起主要吸收作用，当温度低于二氧化钒相变温度时，下半部分金属结构部分起主要吸收作用。这种新型完美吸收体可以通过温度的控制使得其可以在高温和低温的情况下分别利用不同的部分进行电磁吸收。由此，发明人通过设计一种双谐振环结构的阵列为二氧化钒和金属的微纳结构层，实现完美吸收体在高温和低温下能实现太赫兹频段的宽谱完美吸收。

因此，本发明提出了一种新型的双谐振环结构的太赫兹波完美吸收体，不仅可以实现宽谱吸收；而且可以通过温度调控，使得吸收频段可以切换。

在一些实施方案中，本发明提供一种基于双谐振环结构、可切换的宽频太赫兹波完美吸收体，包括底层金属层，第一介质层，第一金属微纳结构层，第二介质层，第二金属微纳结构层，其中第一介质层和第一金属微纳结构层之间包括二氧化钒层。

在一些实施方案中，本发明提供的太赫兹波完美吸收体可以包括更多层，例如包括第三介质层或更多介质层和第三金属微纳结构层或更多金属微纳结构层。在包括更多层的一些方案中，可以任选的在介质层和金属微纳结构层之间包括二氧化钒层。在一些实施方案中，本发明包括在衬底上依次向上形成包括例如衬底，底层金属层，第一介质层，二氧化钒层，第一金属微纳结构层，第二介质层，第二金属微纳结构层或更多层等。

在一些实施方案中，本发明的第二金属微纳结构层可以为二氧化钒微纳结构层。

在一些实施方案中，本发明的第一金属微纳结构层和第二金属微纳结构层可以为双谐振环结构的周期阵列。

在一些实施方案中，本发明的第二金属微纳结构层可以包括两个以上大小不同的谐振环结构的周期阵列，优选阵列的周期是10μm-300μm。

在一些实施方案中，本发明的第一金属微纳结构层可以包括两个以上大小不同的谐振环结构的周期阵列，优选阵列的周期是10μm-300μm。

在一些实施方案中，本发明的第一金属微纳结构层的材料可以包括任何本领域已知的适当的金属材料，例如金、银、铂、铝、铜。

在一些实施方案中，本发明的底层金属层的材料可以包括任何本领域已知的适当的金属材料，例如金、银、铂、铝、铜。

在一些实施方案中，本发明的第一和/或第二介质层的材料可以包括任何本领域已知的适当的介质材料，例如二氧化硅、FR-4、聚酰亚胺树脂、氟化镁。

在一些实施方案中，本发明的所述太赫兹波完美吸收体还可以包括在底层金属层下方的基底，优选的还包括使得二氧化钒相变的控制结构，如外部温度控制结构，如加热器等。

在一些实施方案中，本发明提供一种制备所述太赫兹波完美吸收体的方法，包括1)在衬底上生长底层金属层、第一介质层和二氧化钒层，2)加工第一金属微纳结构层，3)加工第二介质层，4)加工第二微纳结构层。

在一些实施方案中，本发明提供所述太赫兹波完美吸收体在各领域包括例如太赫兹雷达领域等中的应用。

附图说明

图1为发明结构示意图，其中(1)为二氧化钒微纳结构层，(2)为介质层，(3)为金属微纳结构层，(4)为二氧化钒层，(5)为介质层，(6)为金属反射层，(7)为基底层。

图2为二氧化钒微纳结构层和金属微纳结构层的具体结构示意图，(8)(9)为尺寸不同的两个谐振环结构。

图3为图2中微纳结构结构的共振等效电路模型示意图。

图4为实施例一的结构示意图

图5：

(a)为实施例一结构侧视图。

(b)为二氧化钒微纳结构层俯视图细节

(c)为Au微纳结构层俯视图细节

(d)实施例一的吸收率随频率变化曲线，虚线表示温度在二氧化钒相变温度以下时的曲线，实线是温度在二氧化钒相变温度以上的曲线。

图6为实施例一中变换入射角度的吸收图，图中横坐标是入射角度，纵坐标是频率，(a)图是二氧化钒相变温度以下的吸收图，(b)图是二氧化钒相变温度以上的吸收图。

具体实施方式

在一些实施方案中，本文中所述的底层金属层有时简称金属层，例如金属层(6)；第一金属微纳结构层也称为金属微纳结构周期阵列层或金属微纳结构层，例如金属微纳结构层(3)；第二金属微纳结构层也称为二氧化钒微纳结构周期阵列层或二氧化钒微纳结构层，例如二氧化钒微纳结构层(1)。

在一些实施方案中，本发明的方法可以包括下述步骤：在衬底上从下往上依次生长一层金属层、一层介质层、一层二氧化钒层，然后通过沉积和光刻等工艺加工金属微纳结构周期阵列层，之后再加工一层介质层，并在该介质层通过沉积和光刻等工艺加工二氧化钒微纳结构周期阵列层。二氧化钒和金属的微纳结构层是一种双开口谐振环结构的周期阵列，也可以是任何其它适当的谐振环结构。金属层采用的材料可以为金、银、铂、铝、铜、等金属材料。介质层所使用的材料可以是但不仅限于二氧化硅、FR_4、聚酰亚胺树脂、氟化镁。在一些实施方案中，本发明包括由所述方法制备的太赫兹波完美吸收体。在一些实施方案中，本发明的结构还包含外部加热结构。

在加工时，二氧化钒微纳结构层和金属微纳结构层均使用双谐振环的周期阵列结构，周期阵列的每个单元由两个不同尺寸的开口谐振环构成，阵列的周期可以是10μm-300μm，这种结构具有三个共振峰，两个峰是LC共振，还有一个偶极子共振峰，这三个峰叠加成一个宽峰，使得二氧化钒的振动模式和金属结构的振动模式达到宽谱吸收。共振模式对材料，结构参数等都很敏感，通过计算可以调整结构参数，使得完美吸收体结构的吸收效果达到最优。

在一些实施方案中，本发明的结构在二氧化钒相变温度以上时由于二氧化钒的导电性，阻止电磁波到达下半部分，所以呈现以二氧化钒微纳结构为共振模式的完美吸收，在相变温度以上时二氧化钒是绝缘态，所以呈现以金属结构为共振模式的完美吸收。本结构可以看做是两个完美吸收体的一个组合体，通过二氧化钒的相变特性，实现通过温度调控的完美吸收体。

在一些实施方案中，本发明提供一种基于双谐振环结构、可切换的宽频太赫兹波完美吸收体，包含完美吸收体结构金属微纳结构层(3)、介质层(5)、金属层(6)，其特征在于在金属微纳结构层(3)、介质层(5)、金属层(6)基础上增加二氧化钒微纳结构层(1)和二氧化钒层(4)以及介质层(2)；所述二氧化钒层(4)位于金属微纳结构结构层(3)和介质层(5)之间；介质层(5)位于金属层(6)上方；介质层(2)位于金属微纳结构层(3)上方；二氧化钒微纳结构层(1)位于介质层(2)上方；所述的金属微纳结构层和二氧化钒微纳结构层为双谐振环结构的周期阵列。

在一些实施方案中，二氧化钒微纳结构层(1)的具体结构可以是由两个大小不同的谐振环结构(8)和(9)组成的周期阵列，阵列的周期可以是10μm-300μm。

在一些实施方案中，金属微纳结构层(3)的具体结构可以是由两个大小不同的谐振环结构(8)和(9)组成的周期阵列，阵列的周期可以是10μm-300μm。

在一些实施方案中，金属微纳结构层(3)采用的材料可以是但不仅限于金属材料金、银、铂、铝、铜

在一些实施方案中，于金属层(6)采用的材料可以是但不仅限于金属材料金、银、铂、铝、铜。

在一些实施方案中，介质层(2)所使用的材料可以是但不仅限于二氧化硅、FR-4、聚酰亚胺树脂、氟化镁。

在一些实施方案中，介质层(5)所使用的材料可以是但不仅限于二氧化硅、FR-4、聚酰亚胺树脂、氟化镁。

在一些实施方案中，除了二氧化钒微纳结构层(1)、介质层(2)、(5)、金属微纳结构层(3)、二氧化钒层(4)、金属层(6)等核心结构外还包括基底(7)和/或外部加热结构，其中基底(7)位于(6)的下方。

在一些实施方案中，本发明利用二氧化钒相变效果，通过温度控制使得结构可以呈现两种状态，二氧化钒相变温度以上时，呈现以二氧化钒微纳结构共振为主的完美吸收，二氧化钒相变温度以下时，呈现以金属微纳结构共振为主的完美吸收。二氧化钒微纳结构和金属微纳结构的双谐振环的周期阵列设计，使得共振峰有三个，三个共振峰叠加，从而实现宽谱太赫兹波完美吸收。

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1为发明结构示意图，其中(1)为二氧化钒微纳结构层，(2)为介质层，(3)为金属微纳结构层，(4)为二氧化钒层，(5)为介质层，(6)为金属反射层，(7)为基底层，其中(3)(5)(6)构成一个完美吸收体，(1)(2)(4)构成另外一个完美吸收体。当温度在二氧化钒相变温度以上时由于二氧化钒是金属态二氧化钒层(4)作为了反射层，从而(1)(2)(4)构成了一个完美吸收体，吸收频率由二氧化钒微纳结构层(1)决定，而当温度在二氧化钒相变温度以下时二氧化钒层(4)允许太赫兹波透过，此时金属层(6)成为反射层，从而(3)(5)(6)形成一个新的完美吸收体，吸收频率由金属微纳结构层(3)决定，利用这样的结构设计实现了温度控制的完美吸收体吸收频率的变换。

图2为图1中(1)(3)的具体结构，(1)(3)层均是由两个尺寸不同的谐振环组成周期性阵列。这种谐振环结构通过金属段(10)形成一个偶极子振动模式，通过整体的回路形成一个LC振荡模式，而LC振荡模式由谐振环尺寸决定，所以本结构共有3个共振模式，分别为谐振环(8)的LC振荡，谐振环(9)的LC振荡，以及通过金属段(10)产生的偶极振荡。

图3为图2的等效电路模型，L1，R1，C1代表谐振环(8)的LC振荡，L2代表谐振环的偶极子振荡，L3，R3，C3代表谐振环(9)的LC振荡，这三种共振之间相互耦合，叠加，最终形成了宽带吸收峰。

实施例一

本发明的实施例一3D结构为图4所示，图5(a)是实施例一的结构图，从上到下依次是二氧化钒微纳结构层，介质层，Au微纳结构层，二氧化钒层，介质层，Au反射层，基底，其中二氧化钒厚度为100nm，Au厚度为100nm，介质层厚度t₁＝34μm，t₂＝14μm，介质层材料为PI-5878G聚酰亚胺介电常数为3.5+0.2i。

图5(b)是二氧化钒微纳结构层的细节，其中：P₁＝145μm，w₁＝4μm，g₁＝7.5μm，c₁＝12μm，b₁＝50μm，a₁＝55μm，a₂＝35μm；图5(c)是Au阵列层的细节P₂＝43.5μm，w₂＝1.2μm，g₂＝2.5μm，c₂＝6μm，b₂＝15μm，a₃＝16.5μm，a₄＝10.5μm。

图5(d)是本例中电磁有限元分析的结果，其中虚线表明在二氧化钒相变温度以下时，吸收频段在1.75THz-2.75THz之间，并且在此频率范围内吸收率接近1，实线表明在二氧化钒相变温度以上时吸收频段在0.75THz-1.25THz之间，并且在此频率范围内吸收率接近于1。可见本结构可以通过温度控制使得吸收频段在1.75THz-2.75THz和0.75THz-1.25THz之间切换，并且吸收率接近1。

图6表明本完美吸收体可以在0°～50°之间无论是二氧化钒相变温度以上还是二氧化钒相变温度以下均可达到比较好的吸收效果。

Claims (10)

1.一种基于双谐振环结构、可切换的宽频太赫兹波完美吸收体，包括底层金属层，第一介质层，第一金属微纳结构层，第二介质层，第二金属微纳结构层，其中第一介质层和第一金属微纳结构层之间包括二氧化钒层。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波完美吸收体，其中第二金属微纳结构层为二氧化钒微纳结构层。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波完美吸收体，其中第一金属微纳结构层和第二金属微纳结构层为双谐振环结构的周期阵列。

4.根据权利要求1-3任一项所述的太赫兹波完美吸收体，其中第二金属微纳结构层包括两个以上大小不同的谐振环结构的周期阵列，优选阵列的周期是10μm-300μm。

5.根据权利要求1_4任一项所述的太赫兹波完美吸收体，其中第一金属微纳结构层包括两个以上大小不同的谐振环结构的周期阵列，优选阵列的周期是10μm-300μm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的太赫兹波完美吸收体，其中第一金属微纳结构层的材料包括金属材料金、银、铂、铝、铜。

7.根据权利要求1-6任一项所述的太赫兹波完美吸收体，其中底层金属层的材料包括金属材料金、银、铂、铝、铜。

8.根据权利要求1-7任一项所述的太赫兹波完美吸收体，其中第一和/或第二介质层的材料包括二氧化硅、FR_4、聚酰亚胺树脂、氟化镁。

9.根据权利要求1-8任一项所述的太赫兹波完美吸收体，其中所述太赫兹波完美吸收体还包括在底层金属层下方的基底，优选的还包括外部温度控制结构。

10.一种制备权利要求1-9任一项所述的太赫兹波完美吸收体的方法，包括1)在衬底上生长底层金属层、第一介质层和二氧化钒层，2)加工第一金属微纳结构层，3)加工第二介质层，4)加工第二微纳结构层。