CN110488509A - 一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件 - Google Patents

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Abstract

一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，属于电磁功能器件技术领域。该超表面器件包括基底，形成于基底之上的表面磁场增强结构，以及形成于基底下表面的金属层；其中，所述磁场增强结构包括多个阵列排列的单元结构，所述单元结构包括阿基米德螺旋线和长条形二氧化钒。本发明超表面器件中，采用二氧化钒与金属结合形成表面磁场增强结构，在激光照射下，该超表面器件的表面磁场与入射磁场相比增强了124.48倍，实现了表面磁场的增强；而在无激光照射下，该超表面器件的表面磁场与入射磁场相比仅增强1.57倍，两者相差79倍，实现了表面磁场的动态调控，可以视为一种开关。

Description

一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件
技术领域
本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件。
背景技术
动态控制或者可调谐的太赫兹器件的研究是目前的一个热门方向也是未来器件研究的一个发展趋势。基于超材料的可调谐器件的研究通常是通过不同的外界条件，如光、电场、磁场、温度等，来改变谐振点的频率或者幅度。这种复合型太赫兹动态器件兼具超材料和半导体材料的特点，既能对太赫兹波产生良好的静态频率响应，又能通过外加激励条件进行动态控制，进而实现对太赫兹波的实时动态。比如，通过光对半导体的电导率的控制，来设计可调谐的太赫兹调制器。与传统的被动式调谐相比，这类调制器可以极大地节约成本和时间，提高效率。
表面磁场可以作为近场控制材料的一种手段，尤其是需要较高磁场控制的磁性材料。入射场的磁场强度往往达不到可以激发磁性材料的强度，因此，通过超表面实现磁场的增强是一个新的研究方向。单开口谐振环和双开口谐振环可以通过太赫兹电场来实现表面磁场的增强，但增强的效果不佳，且单开口谐振环和双开口谐振环结构单一，一旦成型，只能通过控制入射电场进行调节。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提供一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，包括基底，形成于基底之上的表面磁场增强结构，以及形成于基底下表面的金属层；其中，所述磁场增强结构包括多个阵列排列的单元结构，所述单元结构包括阿基米德螺旋线和长条形二氧化钒。
进一步地，通过调节螺旋线圈数、宽度、间隙，以及二氧化钒的长度和宽度，使该超表面器件工作于太赫兹频段。
进一步地，所述基底为硅、石英等材料，厚度为115～125μm。
进一步地，所述阿基米德螺旋线的材料为Au、Al等金属。
进一步地，所述单元结构的厚度为0.2～0.4μm。
进一步地，所述金属层为Au、Al等，厚度为0.2～0.4μm。
本发明提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，采用二氧化钒与金属结合形成表面磁场增强结构，利用二氧化钒的相变特性(即二氧化钒是一种相变材料，其相变温度为68℃，温度大于68℃时为金属态，温度低于68℃为绝缘态)，改变该结构的表面电流，进而实现表面磁场幅值的动态变化。在激光照射下，二氧化钒为金属态，此时该超表面器件的表面磁场与入射磁场相比增强了124.48倍，实现了表面磁场的增强；在无激光照射下，二氧化钒为绝缘态，此时该超表面器件的表面磁场与入射磁场相比仅增强1.57倍。由此可见，在有激光和无激光照射下，该超表面器件的表面磁场相差79倍，通过控制是否激光照射(即控制二氧化钒的状态)，即可控制太赫兹表面磁场增强的强度，从而实现表面磁场幅值的动态调控。
本发明提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，基底背面还设置了金属层，背面的金属层与磁场增强结构中的阿基米德螺旋线金属会形成F-P谐振，增强反射，进一步增强了表面磁场。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，采用二氧化钒与金属结合形成表面磁场增强结构，在激光照射下，该超表面器件的表面磁场与入射磁场相比增强了124.48倍，实现了表面磁场的增强。
2、本发明提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，采用二氧化钒与金属结合形成表面磁场增强结构，在激光照射下，该超表面器件的表面磁场与入射磁场相比增强了124.48倍；而在无激光照射下，该超表面器件的表面磁场与入射磁场相比仅增强1.57倍，两者相差79倍，实现了表面磁场的动态调控，可以视为一种开关。
3、本发明提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，其表面磁场增强结构可通过微细加工工艺实现，工艺简单，易于制作，避免了复杂结构的设计方案带来的高难度加工。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件的结构示意图；其中，(a)为表面磁场增强结构的示意图，(b)为超表面器件单元的三维结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件中，单元结构的探针探测点位置(a)和二氧化钒为金属态时的磁场强度测试曲线(b)；
图3为本发明实施例提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件中，单元结构的探针探测点位置(a)和二氧化钒为绝缘态时的磁场强度测试曲线(b)；
图4为二氧化钒在金属态和绝缘态两种状态下的表面磁场的对比图；其中，(a)为二氧化钒为金属态时表面磁场的幅值与入射磁场的归一化图，(b)为二氧化钒为绝缘态时表面磁场的幅值与入射磁场的归一化图，(c)为两种状态下C点幅值的对比曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
如图1所示，为本发明提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件的结构示意图；包括硅基底，形成于硅基底之上的表面磁场增强结构，以及形成于硅基底下表面的金属层；其中，所述磁场增强结构包括多个阵列排列的单元结构，所述单元结构包括阿基米德螺旋线金属和长条形二氧化钒。通过调节螺旋线圈数、宽度、间隙，以及二氧化钒的长度和宽度，使该超表面器件工作于太赫兹频段。
本发明提供的一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，采用二氧化钒与金属结合形成表面磁场增强结构，如图1所示，电场方向与长条形二氧化钒的长边平行，在二氧化钒为金属态时可以形成偶极共振，进而在螺旋线上形成环形电流，使阿基米德螺旋线附近的表面磁场增强。该超表面器件的核心结构为表面磁场增强结构，其中，螺旋线的线宽、间隙和圈数均会对磁场增强的强度和频点产生影响，长条形二氧化钒的长度和宽度也会对磁场增强的强度和频点产生影响。本实施例中，基底为硅，金属层为Au，阿基米德螺旋线为Au，单元结构的尺寸为120μm×80μm，具体的尺寸参数如表1所示，阿基米德螺旋线为2圈且间隙为4μm。在激光照射下，二氧化钒呈现出金属状态，可以在第一圈阿基米德螺旋线内侧产生很强的表面磁场，与入射磁场相比，实现了124.48倍的磁场强度。在无激光照射下，二氧化钒呈现绝缘状态，阿基米德螺旋线内侧产生微弱的表面磁场，与入射磁场相比，磁场强度仅为1.57倍。
表1结构尺寸参数
螺旋线线宽 5μm 基底长度 120μm
螺旋线间隙 4μm 基底高度 120μm
螺旋线圈数 2 基底宽度 80μm
螺旋线内径 3μm 二氧化钒长度 40μm
金属层厚度 0.3μm 二氧化钒宽度 18μm
当二氧化钒为金属态时，二氧化钒与阿基米德螺旋线构成一个完整的金属结构，采用探针检测其表面磁场的强度，图2为探针检测位置(a)和磁场强度曲线(b)，通过探针测得C点的表面磁场强度最大。
当二氧化钒为介质态(绝缘态)时，采用探针检测其表面磁场的强度，图3为探针检测位置(a)和磁场强度曲线(b)，表明磁场增强的强度很微弱。
采用CST 2017仿真软件对实施例结构进行仿真，模拟动态表面磁场强度切换状态。二氧化钒为金属态时，观察与入射磁场归一化后的表面磁场图4(a)，增强的表面磁场集中在第一圈阿基米德螺旋线的内侧；二氧化钒为绝缘态时，观察与入射磁场归一化后的表面磁场图。如图4(c)所示，对两幅归一化表面磁场图进行对比，并且选取C点作为对比点，通过探针进行幅度对比，表明在二氧化钒的两种状态下，C点的表面磁场增强的幅度差79倍。

Claims (5)

1.一种基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，其特征在于，包括基底，形成于基底之上的表面磁场增强结构，以及形成于基底下表面的金属层；其中，所述磁场增强结构包括多个阵列排列的单元结构，所述单元结构包括阿基米德螺旋线和长条形二氧化钒。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，其特征在于，所述基底为硅或石英。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，其特征在于，所述阿基米德螺旋线的材料为Au、Al。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，其特征在于，所述单元结构的厚度为0.2～0.4μm。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的动态控制太赫兹超表面器件，其特征在于，所述金属层为Au或Al，厚度为0.2～0.4μm。
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