CN110221367A - 一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法，属于太赫兹应用技术领域。本发明调制器采用VO2薄膜和金属光栅复合结构，利用二氧化钒的热致相变特性和对光栅周期的改变实现对太赫兹频率和幅度的多功能动态调节。相比于传统的超结构的调控方法，通过温度变化控制二氧化钒的相变过程，相变前后二氧化钒发生从绝缘相到金属相的变化，电阻率和透射率发生显著变化，在25℃到100℃的温度范围内，都能实现太赫兹透射响应幅度的调节，幅度的调节可达到百分之七十以上；通过改变金属光栅的周期尺寸和金属线条的宽度，调控太赫兹的响应频率，整体的调控范围为0.1thz到3thz。

Description

一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法
技术领域
本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法。
背景技术
太赫兹是指频率范围为0.1～10thz的电磁波，相比于微波和光波，太赫兹波具有宽带宽、高透射性、低量子能量和小辐射损伤等优势，因而其应用前景更加广阔，比如用于材料的光谱表征、成像、光数据存储加密、无线通信系统以及非破坏性传感等多种领域。近年来，随着科学理论和相应技术的飞速发展，人们对太赫兹的研究也更加深入，太赫兹的应用也日渐增多。但不同的工作环境下对太赫兹波的幅度和频段要求不尽相同，因此迫切需要对太赫兹进行有效的调控以适应更加广泛的应用。
目前对太赫兹的调控方法主要是利用电磁超材料。超材料是指具备天然材料不具备的电磁特性的人造周期结构材料，其奇异的电磁响应特性为太赫兹调控器件提供了有效的解决方案。通过调节结构的形状、关键尺寸、改变材料的种类等，控制对太赫兹的响应，实现电磁波与光波性能的任意切换，获得了如隐身斗篷、电磁波全吸收器件等。以往基于超材料的太赫兹调控器件一般都是由金属材料或者金属与介质层构成，主要利用金属超结构来实现对太赫兹的调控，着眼于太赫兹波的反射吸收，通过改变超结构的参数实现对太赫兹的屏蔽，在尺寸和材料种类固定后，在实际应用中器件对于太赫兹的调控往往也固定不变，因此，这种方法只能在单一的外界条件下实现单一的功能，无法实现对太赫兹的动态调控，而且一般用到的介质层的厚度都是微米级别，对于器件的电学、热力学等性能影响较大。除此之外，超材料的图形结构设计参数复杂，在实际制备中需要对准套刻，步骤多、工艺难度大；在调节其中一个参数的同时需要系统地调节其他结构参数以保证能够满足电磁理论的相关条件。
二氧化钒是一种具有热致相变特性的过渡金属氧化物，相变温度在68℃。在68℃以下，二氧化钒是绝缘相，当温度升高到68℃以上时变为金属相。相变前后二氧化钒的电学特性、光学特性等都会发生明显变化。二氧化钒的电阻变化能达到4～5个数量级，对红外光的透射也会呈现出低温高透、高温低透的现象。二氧化钒的这种相变特性为实现太赫兹的动态调节提供了一种新的方向，即二氧化钒与超材料结构共同实现调控。现有的关于利用二氧化钒和金属超结构的太赫兹调制器，结构设计复杂，且主要是以金属超结构作为表面，研究太赫兹的偏振方向的调控或者对太赫兹的宽带吸收。
发明内容
针对背景技术中存在的太赫兹难以实现透射幅度和频率动态调控的问题，本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法，该调制器采用VO2薄膜和金属光栅复合结构，利用二氧化钒的热致相变特性和对光栅周期的改变实现对太赫兹频率和幅度的多功能动态调节。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，包括：衬底、金属光栅和二氧化钒薄膜，所述金属光栅位于衬底表面周期性排列，所述二氧化钒薄膜位于衬底和金属光栅表面。
进一步地，所述衬底材料为云母、硅、氧化硅或Al2O3等。
进一步地，所述金属光栅的金属材料为与衬底粘附性较好的材料，具体为Au、Ti、Ni、Pt、Fe或Cu等。
进一步地，所述金属光栅的周期为2～10μm，光栅线条的宽度为1～5μm，光栅的厚度为100～110nm。
进一步地，所述二氧化钒距离光栅表面的厚度为100～120nm。
一种二氧化钒薄膜的太赫兹调制器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.清洗衬底；
步骤2.制备光栅结构：在清洗后的衬底上采用光刻方法制备光栅结构图案，然后沉积光栅材料，洗去多余部分，即可制备得到光栅结构；
步骤3.在步骤2制备好光栅结构的衬底上制备VO2薄膜，即可制备得到所述太赫兹调制器。
进一步地，步骤3所述制备VO2薄膜的方法为PAD法或磁控溅射法等。
本发明太赫兹调制器的调控原理为：通过改变金属光栅的周期尺寸和金属线条的宽度，实现太赫兹在0.1～3thz频率范围之间特定响应频率的选择，然后在特定温度下通过改变二氧化钒薄膜厚度或者在特定薄膜厚度下改变温度实现太赫兹透射幅度的调节。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.单独二氧化钒薄膜通过调节电阻率带来载流子的变化从而实现太赫兹透射幅度的调控；本发明提供的光栅和二氧化钒薄膜共同作用，在其界面通过太赫兹入射到光栅激发等离子体及薄膜载流子共振，从而实现了对太赫兹强度进行重新分配。
2.本发明制备的太赫兹调制器在25℃到100℃的温度范围内，都能实现太赫兹透射响应幅度的调节，在0.1～3thz的测试范围之内都能实现幅度的调控，幅度的调节范围可达百分之七十以上；并且本发明通过改变金属光栅的周期尺寸和金属线条的宽度，实现太赫兹的特定响应频率的选择。
3.二氧化钒薄膜太厚，薄膜缺陷增多，损伤MIT(金属绝缘相变)特性，从而影响透射幅度增强；但如果二氧化钒薄膜太薄会较脆、容易破碎，使得整个器件失效，本发明提供的器件中二氧化钒距离光栅表面的厚度为100～120nm，实现了太赫兹幅度的调节范围可达百分之七十以上。
附图说明
图1为本发明太赫兹调制器的结构示意图。
图2为本发明太赫兹调制器中VO2薄膜的相变曲线图。
图3为本发明太赫兹调制器在不同温度下的性能测试曲线；
其中，(a)为太赫兹的透射响应的时域曲线图；(b)为太赫兹的透射响应的频域曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，包括：Al2O3衬底、Au金属光栅和二氧化钒薄膜。
实施例1
一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.清洗衬底：将Al2O3基片用丙酮、去离子水清洗干净，然后用氮气吹干后备用；
步骤2.在Al2O3基片上旋涂一层光刻胶，利用接触式曝光法经过前烘、曝光、后烘、泛曝、显影等步骤后得到光刻图形；
步骤3.在步骤2制备好图形的Al2O3基片上通过磁控溅射法沉积一层Au，然后洗去多余的部分得到需要的光栅结构，其中，光栅的周期为10μm，金属线条的宽度为5μm；
步骤4.在步骤3制备了光栅结构的衬底上采用PAD法生长厚度为100nm的VO2薄膜，即可制备得到所述太赫兹调制器。
实施例2
采用实施例1的方法制备太赫兹调制器，仅将光栅的金属线条宽度调整为4μm或3μm，其他参数不变制备器件。
实施例3
采用实施例1的方法制备太赫兹调制器，仅将光栅周期调整为8μm或6μm，其他参数不变制备器件。
对比例
一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，直接在Al2O3基片上采用PAD法生长VO2薄膜。
图2为实施例1、实施例3和对比例制备的太赫兹调制器中VO2薄膜的相变曲线图，从图中可以看出，不同光栅结构对二氧化钒薄膜的相变过程有较大影响，导电率的不同使得薄膜对太赫兹的反射作用也不同，从而实现对太赫兹的幅度调控。原因是：单独二氧化钒薄膜通过调节电阻率带来载流子的变化从而实现太赫兹透射幅度的调控；太赫兹传播主要是TE模式和TM模式，同时也存在高阶模式及不同的衍射级，光栅和二氧化钒共同作用，在其界面通过太赫兹入射到光栅激发等离子体及薄膜载流子共振，从而实现了对太赫兹强度进行重新分配。
图3为本发明实施例1制备的太赫兹调制器在不同温度下的性能测试曲线。测试中得到的是时域的图谱，如图(a)所示，经过傅里叶变化之后得到频域的图谱，如图(b)所示。从图(b)可以看出，在整个测试过程中薄膜样品温度从25℃变化到100℃，可以看到太赫兹透射响应幅度随着不同频率和不同温度下都有着动态的变化，0.1～3thz的测试范围之内都能实现幅度的调控，且调节可达到百分之七十以上，和以往超材料调制器相比性能更加优越且实现了动态的调控，通过改变金属光栅结构还可以实现对相应频率的选择。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，其特征在于，包括衬底、金属光栅和二氧化钒薄膜，所述金属光栅位于衬底表面，周期性排列，所述二氧化钒薄膜位于衬底和金属光栅表面。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，其特征在于，所述金属光栅的周期为2～10μm，光栅线条的宽度为1～5μm，光栅的厚度为100～110nm。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，其特征在于，所述二氧化钒距离光栅表面的厚度为100～120nm。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，其特征在于，所述衬底材料为云母、硅、氧化硅或Al2O3。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，其特征在于，所述金属光栅的金属材料为Au、Ti、Ni、Pt、Fe或Cu。
6.一种如权利要求1～5任一项所述太赫兹调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.清洗衬底；
步骤2.制备光栅结构：在清洗后的衬底上采用光刻方法制备光栅结构图案，然后沉积光栅材料，洗去多余部分，即可得到光栅结构；
步骤3.在步骤2带光栅结构的衬底上制备VO2薄膜，即可得到所述太赫兹调制器。
7.根据权利要求6所述的太赫兹调制器的制备方法，其特征在于，步骤3所述VO2薄膜的制备方法为PAD法或磁控溅射法。
8.一种基于权利要求1～5任一项所述太赫兹调制器的调控方法，其特征在于，通过光栅结构确定频率后再由薄膜厚度调整实现特定频率下太赫兹调制器的透射幅度增强。
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