CN112285952B - 一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件及系统，将金属微结构形成的金属阵列与二氧化钒薄膜进行耦合，通过设计不同的超材料结构单元可获得不同频率记忆效应的THz调制器件；本发明在室温下将离子凝胶中氢离子注入二氧化钒薄膜，同时通过栅极直流电压源施加调控电压控制二氧化钒薄膜中氢离子的掺杂程度，明显降低调控所需的功耗，实现了对二氧化钒薄膜电导态的实时调控，能够建立起调控电压正负、大小、时间和二氧化钒薄膜电导以及THz透过率之间的数值对应关系，进而实现对记忆型THz调制器件性能的实时数字化可控；本发明还能在室温下即可实现对THz波调制的精确控制，完成基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制系统的写入、读取以及擦除。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹光谱、通信及成像技术领域，尤其涉及一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件及系统。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)辐射是对介于微波段和红外波段之间的特定波段电磁辐射的统称。近二十年来，超快光电子技术和低尺度半导体技术的发展，电子学以及微加工等技术的不断成熟，为THz波提供了稳定的光源和合适的探测手段，THz科学与技术得以飞速的发展。太赫兹技术具有瞬态性、低能性和相干性等独特性质，使其在物质光谱分析、THz成像、短距高速宽带通信等众多领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。作为THz应用系统中必不可少的组成部分，THz功能调制器件是继THz源和探测技术之后的研究热点之一。基于传统金属的等离子体器件一般不具备可控性，而用传统半导体制备的THz调制器也很难在获得较高开关速度的同时获得较高的调制深度。随着超材料概念的提出，利用这种人工材料特异的电磁特性和光学特性，进行THz光开关、调制器、滤波器、衰减器和偏振器方面的研究也随之蓬勃开展起来。近年来，研究人员在光、电、热等调控方面做了大量的工作，系统地研究了对THz波振幅、相位、偏振等调制情况，但由于受到材料特性的影响，现有THz调制器件的调控技术手段等诸多方面尚不能完全满足太赫兹实际应用的要求。
二氧化钒是一种具有近室温绝缘-金属相变的氧化物材料，临界温度TC≈340K。在其相变过程中，将发生从低温单斜相到高温金红石相的晶格结构改变，且这两相之间的转变具有晶体学可逆性，当温度再次低于相变温度后，金红石相又会发生轻微的扭曲恢复为单斜相。然而，在已报道的基于VO2材料的THz调制器件中，具有如下缺陷：
1)工作温度：大部的调控手段需要先把VO2升温至相变温度附近，再加外场进行调控，由于工作温度高于室温，不便于器件的实际应用；
2)电控方式和激励能量：室温调控电压较大，且通常需要将VO2薄膜和/或超材料结构刻蚀或加工成可便于施加直流电压的单元结构相连的特殊结构，破坏和牺牲了超材料电磁响应本身对THz波的调制特性；
3)不可编程的记忆存储：只是进行了在满足一定条件的情况下(如较高工作温度、特殊加电结构和较大激励能量下)，对THz波有无调控特性的研究，无法根据期望灵活方便地对THz波的透过率以及记忆效应进行室温下数字化可编程调控。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件及系统，能够在室温下实现对二氧化钒薄膜电导态的实时调控，可应用于可编程THz记忆存储器件的制作。
一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件，包括基底、二氧化钒薄膜、金属阵列、离子凝胶层、栅极、源极以及漏极，其中，所述金属阵列中包含多个金属体，所述离子凝胶层含有氢离子；
所述二氧化钒薄膜生长在基底上；所述源极和漏极分别沉积在二氧化钒薄膜的两侧；所述金属阵列分布在源极与漏极之间的二氧化钒薄膜上；所述离子凝胶层涂覆于布置有源极、漏极以及金属阵列的二氧化钒薄膜上；所述栅极沉积在离子凝胶层上；所述栅极与源极分别连接到外部栅源直流电压源的两端；所述源极与漏极分别连接到外部源漏直流电压源的两端。
进一步地，所述金属体的形状为圆环、劈裂环、圆柱、三角柱或者长方体。
进一步地，所述金属阵列中包含的金属体周期性的分布在源极与漏极之间的二氧化钒薄膜上。
进一步地，所述金属体的材质为金、铜或铝。
进一步地，所述栅极、源极以及漏极的材质为金、铜或铝。
一种可编程太赫兹记忆调制器件的调制系统，包括至少三个调制器件；
所述调制系统的写入方法为：
将待写入信息进行编码，其中，所述编码的位数与组成调制系统的调制器件的个数相同，且每一位码元对应多种状态，分别为初态、中间态以及末态，其中，所述中间态至少包括两种过渡态；；
调节所述调制系统中各调制器件的栅源直流电压源，使得各调制器件的二氧化钒薄膜在各自的栅源直流电压源提供的正向门控电压VG的调控下，处于不同的相态，实现信息的写入；其中，各二氧化钒薄膜相态的组合与编码各码元状态的组合一一对应，且初态对应二氧化钒薄膜的绝缘VO2相，末态对应二氧化钒薄膜的金属相，中间态对应二氧化钒薄膜的金属绝缘混合相HxVO2，且x的取值不同，对应的过渡态不同，同时，0<x<1；
所述调制系统的读取方法为：
获取调制系统中各调制器件的太赫兹透过率，根据太赫兹透过率确定各调制器件所处的相态，得到对应的编码，再由编码得到调制系统中存储的信息；
所述调制系统的擦除方法为：
调节所述调制系统中各调制器件的栅源直流电压源，使得各调制器件的二氧化钒薄膜在各自的栅源直流电压源提供的反向门控电压-VG的调控下，回归到绝缘VO2相，实现信息的擦除。
进一步地，所述正向门控电压VG至少为1.23V。
有益效果：
1、本发明提供一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件，将金属微结构形成的金属阵列与二氧化钒薄膜进行耦合，通过设计不同的超材料结构单元可获得不同频率记忆效应的THz调制器件；因此，本发明的调制器件能够应用于可编程THz记忆系统的制备，在室温下将离子凝胶中氢离子注入二氧化钒薄膜，同时通过栅源直流电压源施加调控电压控制二氧化钒薄膜中氢离子的掺杂程度，明显降低了调控所需的功耗，实现对二氧化钒薄膜电导态的实时调控，能够建立起调控电压正负、大小、时间和二氧化钒薄膜电导以及THz透过率之间的数值对应关系，进而实现对记忆型THz调制器件性能的实时数字化可控，并增加的二氧化钒的使用范围。
2、本发明提供一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制系统，采用至少三个调制器件集成为调制系统，基于电解质调控过程为电化学反应，调控具有非易失性，本发明通过施加的正负电压控制各二氧化钒薄膜中氢离子的掺杂浓度，以控制各二氧化钒薄膜的电导态，使得各调制器件的二氧化钒薄膜处于不同的相态，得到与待写入信息的编码一一对应的相态组合；也就是说，本发明通过氢离子注入驱动VO2发生绝缘到金属的相变，在室温下即可实现对THz波调制的精确控制，完成基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制系统的写入、读取以及擦除，解决已有基于VO2材料的THz调制器件不便于实际应用的问题，可应用于光谱、通信、成像领域，并对THz波振幅、频率等参量进行有效调控，极大的丰富功能调制器件的种类和调控思路。
附图说明
图1为本发明提供的VO2薄膜和金属环或劈裂环形成的杂化器件示意图；
图2为本发明提供的金属体为圆环时的调制器件频率记忆效应曲线与VO2薄膜电阻热滞曲线图；
图3为本发明提供的金属体为劈裂环时的调制器件频率记忆效应曲线与VO2薄膜电阻热滞曲线图；
图4为本发明提供的室温下VO2薄膜调至不同注氢态的THz透过率示意图；
图5为本发明提供的离子凝胶门控后VO2薄膜的电阻态随时间的记忆保持曲线；
图6为本发明提供的离子凝胶门控后VO2薄膜的THz峰值信号随时间的记忆保持曲线；
Substrate-基底，sol-gel-离子凝胶，S-source-源极，D-drain-漏极，G-gate-栅极，VG-栅源电压，VSD-源漏电压。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
如图1所示，一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件，包括基底、二氧化钒薄膜、金属阵列、离子凝胶层、栅极、源极以及漏极，其中，所述离子凝胶层含有氢离子；所述金属阵列中包含多个金属体，且金属体的形状可以为圆环、劈裂环、圆柱、三角柱或者长方体等，金属体以及栅极、源极、漏极材质可以为金、铜或铝。
所述二氧化钒薄膜生长在基底上；所述源极和漏极分别沉积在二氧化钒薄膜的两侧；所述金属阵列周期性的分布在源极与漏极之间的二氧化钒薄膜上；所述离子凝胶层涂覆于布置有源极、漏极以及金属阵列的二氧化钒薄膜上；所述栅极沉积在离子凝胶层上；所述栅极与源极分别连接到外部栅源直流电压源的两端；所述源极与漏极分别连接到外部源漏直流电压源的两端。
下面采用Au来制备金属体和三个电极为例，对本发明提供的一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件的制备方法进行详细说明：
(一)薄膜生长：
在薄膜生长过程中，本发明选择V2O5的靶材，以0.5mm厚的<0001>晶向的Al2O3基片作为衬底，利用激光脉冲沉积方法在其上生长单晶VO2薄膜。主要对激光能量、生长温度、氧压这三个因素进行了调节，利用控制变量法在不同生长条件下生长VO2薄膜，寻找最优生长条件，以制备出具有高质量的外延单晶VO2薄膜。激光参数为准分子激光器，波长308nm，能量密度0.2J/cm2、频率2Hz；生长温度375℃、氧压1.0Pa、退火10min、降温20℃/min。生长的薄膜厚度为50nm。
(二)器件制备：
利用光刻技术进行杂化超材料器件的制备，其工艺过程如下：
1、VO2薄膜的清洗和烘干：以酒精—丙酮—酒精的顺序用超声清洗机对基片进行清洗，清洗过后用氮气将基片吹干，此步骤是为了避免由于基片不干净，在后续匀胶过程中胶面产生气泡所导致的成品表面金属结构的破损或粘连；
2、涂覆光刻胶：将基片放置在匀胶机上，取适量正光刻胶滴于基片表面，并保证基片的四个角也被光刻胶覆盖。设置匀胶机参数(转速及匀胶时间)，启动匀胶机，使光刻胶厚度均匀的覆盖在基片上。
3、烘烤：将匀好胶的基片放置在电加热平台上，设置平台温度90℃，对基片进行3min的烘烤，以使光刻胶固化。
4、曝光：将设计好的掩模版和匀好胶的基片装入光刻机中，调整基片位置使其与绘有所需结构的掩膜版对齐，调整曝光区域，选择合适的曝光时间，并对基片进行曝光。
5、显影：利用显影液对曝光后的基片进行显影，对于正胶而言，其受紫外光照射的地方分子结构将发生变化可被显影液洗去。之后利用去离子水对基片进行定影。经此步骤便可得到所需结构暴露而其他部分仍被光刻胶覆盖的基片。
6、蒸镀：利用真空蒸镀法在光刻好的基片上蒸镀5nm铬/200nm金，铬层作为粘附层增加基片对金层的粘附力，避免其在剥离过程中脱落。
7、剥离：用丙酮清洗掉残留有光刻胶的部分，其上金层随光刻胶一同剥离，仅留下所需金属结构。
8、在器件表面热蒸发制作Au电极，即源极和漏级，并进行导线连接。器件的示意图和实物图如图1所示。
9、将离子凝胶将其旋涂于VO2杂化样品表面，再在离子凝胶层上蒸镀材质为Au的栅极，最后通过离子凝胶进行电调控。其中，离子凝胶的获取方法为：将离子液体旋涂于VO2杂化样品表面，再用电加热平台去除其中过多水分，形成离子凝胶，且离子凝胶中的氢离子是离子凝胶中的水分电解出来的。
实施例二
基于以上实施例，本实施例提供的一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制系统，包括至少三个调制器件；
所述调制系统的写入方法为：
将待写入信息进行编码，其中，所述编码的位数与组成调制系统的调制器件的个数相同，且每一位码元对应多种状态，分别为初态、中间态以及末态，其中，所述中间态至少包括两种过渡态；
调节所述调制系统中各调制器件的栅源直流电压源，使得各调制器件的二氧化钒薄膜在各自的栅源直流电压源提供的正向门控电压VG的调控下，处于不同的相态，实现信息的写入；其中，各二氧化钒薄膜相态的组合与编码各码元状态的组合一一对应，且初态对应二氧化钒薄膜的绝缘VO2相，末态对应二氧化钒薄膜的金属相，中间态对应二氧化钒薄膜的金属绝缘混合相HxVO2，且x的取值不同，对应的过渡态不同，同时，0<x<1，且正向门控电压VG至少为1.23V；此外，为了避免向其他绝缘相转变，正向门控电压VG小于2.0V；
所述调制系统的读取方法为：
获取调制系统中各调制器件的太赫兹透过率，根据太赫兹透过率确定各调制器件所处的相态，得到对应的编码，再由编码得到调制系统中存储的信息；
所述调制系统的擦除方法为：
调节所述调制系统中各调制器件的栅源直流电压源，使得各调制器件的二氧化钒薄膜在各自的栅源直流电压源提供的反向门控电压-VG的调控下，回归到绝缘VO2相，实现信息的擦除。
如图2所示，为对金属体采用金属圆环结构时与VO2薄膜杂化耦合制备获得的器件进行热滞效应的测试而获得的频率记忆效应的THz调制性能曲线；如图3所示，为对金属体采用劈裂环结构时与VO2薄膜杂化耦合制备获得的器件进行热滞效应的测试而获得的频率记忆效应的THz调制性能曲线；由图2和图3提供的单环/VO2和单环破缺/VO2器件在升、降温过程中不同温度下共振频率变化曲线可知，相比于VO2薄膜，单环结构(圆环)的频率热滞曲线的临界相变温度表现出了略微的升高，并且其温度窗口明显缩小至5.4K。而单环破缺结构(劈裂环)的共振频率曲线，比纯VO2膜和单环/VO2复合结构的临界温度分别高出7.2K和5.5K，同时该结构的温度窗口为10K，与VO2薄膜的10.6K大致相同，几乎是单环复合结构窗口宽度的两倍。
此外，本发明配置离子凝胶将其悬涂于VO2薄膜表面，利用VO2薄膜的可逆相变特性，制备可擦写的THz动态调制器件。选用中等栅极电压(1.23V<VG<2.0V)进行调控，不仅能有较快的调控速度，较大的电导变化量级，同时还能避免出现由注氢过多导致的薄膜向其他绝缘态转变，其在相变过程中发生的接近3个量级的电导变化，可引起THz透射率较大幅度的改变，也即本发明通过含有氢离子的离子凝胶电解质调控相转变材料二氧化钒。在正向偏压的作用下，VO2薄膜从初始的绝缘单斜相，通过氢化转变为金属绝缘混合相HxVO2(0<x<1)，随着氢化程度的进一步加深，薄膜又变为了绝缘态HVO2。在负向偏压的作用下，已变为HVO2的薄膜又可在去氢化过程中回复至初始状态，从而发生可逆的三步相变。因此，本发明可利用正向门控电压使VO2薄膜转变为金属HxVO2相，降低其在THz波段的透过率，再利用反向门控电压将之前的调控状态擦除，使其THz透过率回复到之前的水平，便达到了可擦写THz动态调制器件的要求，如图4所示。由于VO2薄膜可逆相变所具有的良好重复性，可利用其制备出可重复利用的可擦写THz动态调制器件。
基于VO2薄膜所具备的良好的保持特性，本发明可将其利用在THz忆阻器件中。利用正向门控电压，可以在VO2薄膜中写入相应信息，信息保存在VO2薄膜的电导状态中，反映在其太赫兹透过率上，需要时可通过对其透过率的测试，读出响应信息。如图5所示，该信息可在VO2薄膜中储存相当长的时间，若将其在真空环境中密封保存，则可进一步延长信息的储存时间。如图6，利用+2V电压对VO2薄膜进行10分钟的调控。调控前薄膜的THz峰值信号为150n，调控完成后下降为138n，经过约20分钟在干燥氮气环境下的自然回复后，样品的峰值信号变为142n，并在之后的很长一段时间里(3h、24h后)不再发生变化。说明经由离子液体调控的VO2薄膜具有较好的保持特性，可以用于制作THz忆阻器件。基于VO2薄膜优良的保持特性，我们预先将薄膜电导态调控至电导变化两到三个数量级之间，此时通过一短时程小电压便可实现对THz透过率的大幅调制，如表1所示。此外，本发明还可以通过施加反向门控电压的方式将储存的信息擦除，以达到重复利用的目的。
表1：调至不同的薄膜状态对应的电导和太赫兹透过率
此外，由于VO2薄膜具有电脉冲调制特性，可将其利用在超快THz调制器件中。VO2薄膜可在电脉冲条件下依然具备明显的电化学反应。虽然在响应速度上还远不及光调控的速度快，但相比于光调控所需要的强泵浦激光，电解质门控仅需要一个较小电压即可实现，明显降低了调控所需的功耗。此外，由于VO2薄膜所具备的非易失性多级电导态，以及其在调制结束撤去电压后依然不影响调制效果的特点，因而可以利用不同的电脉冲个数精确控制VO2薄膜的电导态，实现THz电控可编程调控器件。
需要说明的是，传统的加直流电的调控法，加电调控需要将VO2先进行升温，再利用加电的热效应使其到达转变温度发生相变升温过程；本发明所用的加电方式是通过电解质注入氢或去氢来产生结构相变，进而获得相应电子结构态的改变。此外，传统的升温过程电解质门控的调控法利用注氧实现了VO2从绝缘变为金属相的两步相变，且其透过率调节范围在共振区域只有3％，非共振区域为4％。本发明中可通过离子液体调控进行三步相变实现约45％的调控变化，即注氢从绝缘到金属，再继续注氢从金属变绝缘；还可以通过正负电压的施加，利用注氢去氢过程中的物理特性的变化实现信息写入和擦除的记忆存储功能。
综上所述，本发明相对于现有技术，本发明通过氢离子注入驱动VO2发生绝缘到金属的相变，因此可以在室温下实现对VO2的调控；其次，由于在加电过程中离子凝胶产生电双层增强了调控效果，因此本发明采用小电压便可实现对VO2的调控，理论上常温下最小调控电压为水电解电压，即1.23V；最后，由于电解质调控过程为电化学反应，调控具有非易失性，本发明可将其应用于制作可编程THz记忆器件。通过施加的正负电压控制氢离子的掺杂浓度，以控制VO2的电导态，实现对THz波调制的精确控制。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件，其特征在于，包括基底、二氧化钒薄膜、金属阵列、离子凝胶层、栅极、源极以及漏极，其中，所述金属阵列中包含多个金属体，所述离子凝胶层含有氢离子；
所述二氧化钒薄膜生长在基底上；所述源极和漏极分别沉积在二氧化钒薄膜的两侧；所述金属阵列分布在源极与漏极之间的二氧化钒薄膜上；所述离子凝胶层涂覆于布置有源极、漏极以及金属阵列的二氧化钒薄膜上；所述栅极沉积在离子凝胶层上；所述栅极与源极分别连接到外部栅源直流电压源的两端；所述源极与漏极分别连接到外部源漏直流电压源的两端；
所述金属阵列中包含的金属体周期性的分布在源极与漏极之间的二氧化钒薄膜上，且金属体的形状为圆环、劈裂环、圆柱、三角柱或者长方体。
2.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件，其特征在于，所述金属体的材质为金、铜或铝。
3.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件，其特征在于，所述栅极、源极以及漏极的材质为金、铜或铝。
4.一种基于权利要求1所述的可编程太赫兹记忆调制器件的调制系统，其特征在于，包括至少三个调制器件；
所述调制系统的写入方法为：
将待写入信息进行编码，其中，所述编码的位数与组成调制系统的调制器件的个数相同，且每一位码元对应多种状态，分别为初态、中间态以及末态，其中，所述中间态至少包括两种过渡态；
调节所述调制系统中各调制器件的栅源直流电压源，使得各调制器件的二氧化钒薄膜在各自的栅源直流电压源提供的正向门控电压VG的调控下，处于不同的相态，实现信息的写入；其中，各二氧化钒薄膜相态的组合与编码各码元状态的组合一一对应，且初态对应二氧化钒薄膜的绝缘VO2相，末态对应二氧化钒薄膜的金属相，中间态对应二氧化钒薄膜的金属绝缘混合相HxVO2，且x的取值不同，对应的过渡态不同，同时，0<x<1；
所述调制系统的读取方法为：
获取调制系统中各调制器件的太赫兹透过率，根据太赫兹透过率确定各调制器件所处的相态，得到对应的编码，再由编码得到调制系统中存储的信息；
所述调制系统的擦除方法为：
调节所述调制系统中各调制器件的栅源直流电压源，使得各调制器件的二氧化钒薄膜在各自的栅源直流电压源提供的反向门控电压-VG的调控下，回归到绝缘VO2相，实现信息的擦除。
5.如权利要求4所述的一种可编程太赫兹记忆调制器件的调制系统，其特征在于，所述正向门控电压VG至少为1.23V。
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