CN112490686A - 一种基于vo2的开关型宽带太赫兹波吸收器及吸收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，包括：多个呈矩阵形式排列的微结构单元；所述微结构单元包括：相变材料层、介质层和反射层；所述相变材料层位于所述介质层的上表面，所述反射层位于所述介质层的下表面；所述相变材料层包括：4个呈矩阵形式排列的L形VO2贴片；所述L形VO2贴片中间镂空，镂空图案为按比例缩小的L形；其中，所述L形VO2贴片的两个长臂向所述相变材料层的边沿方向延伸，任意两个相邻的L形VO2贴片呈镜像对称。本发明可以提高开关型太赫兹波吸收器的吸收带宽和吸收率，且不增加开关型太赫兹波吸收器的设计与制备难度。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波技术领域，具体涉及一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器及吸收装置。
背景技术
太赫兹波的波段介于毫米波段和远红外波段之间，具体是指频率在0.1THz～10THz、波长在0.03mm～3mm范围内的电磁波，属于宏观电子学向微观光子学的过渡研究领域。太赫兹波具有独特的瞬态性、低能性、高穿透性和抗干扰能力，在无线通信、生物医学、成像以及传感器等多个领域都具有广阔的应用前景。太赫兹波吸收器可用于太赫兹波的传感、探测、调控等，在太赫兹技术应用中扮演着十分重要的角色。其中，太赫兹波吸收器主要由可吸收太赫兹波的超材料组成。这里说的超材料又称人工电磁材料，能产生一些自然材料所不具有的现象，如负折射率现象、逆多普勒现象等。通过对超材料的微结构单元进行特定的结构设计，可以实现所需要的特定功能。
二氧化钒VO2是一种金属-绝缘相变(Metal-Insulator Transition,MIT)材料，具有在温度、电、光等激励条件下，材料电阻率、晶体结构发生变化的特性；在光开关、光存储、半导体、储能等领域具有广泛的研究与应用。因此，现有技术中，已经出现了利用VO2的相变特性实现太赫兹波吸收器的吸收开关可控的先例。
然而，现有的基于VO2的太赫兹波吸收器大多结构复杂，如螺旋结构、超多层结构等，更为主要的是现有的基于VO2的太赫兹波吸收器大多存在吸收带宽窄、吸收率低，吸收杂峰多的问题。
例如，文献“Broadband tunable terahertz absorber based on vanadiumdioxide metamaterials”公开了一种基于VO2超材料的宽带可调太赫兹波吸收器，其由三层结构组成，底层为一层VO2薄膜；虽然该太赫兹波吸收器的结构相对简单，但是该太赫兹波吸收器的吸收带宽非常窄，只有0.33THz。文献“A broadband and switchable VO2-based perfect absorber at the THz frequency”公开了一种在太赫兹频率范围内基于VO2的宽带可调完美吸收器，其由六层结构组成，其中有两层结构的材料是VO2；然而，在如此复杂的结构下，该太赫兹波吸收器有超过90％的吸收率所对应的吸收带宽仍小于0.2THz。申请号为201310112820.5的中国发明专利申请公开了一种开关可控的太赫兹波超材料完美吸收器，包括衬底、二氧化钒相变层、介质层和金属谐振层共4层结构。其中，二氧化钒相变层呈薄膜状，是作为反射层来使用的；然而，该太赫兹波吸收器在二氧化钒处于金属相时有两个窄带吸收峰，不具备宽带吸收效果，且其中一个吸收峰的吸收率较低，小于60％；另外，该太赫兹波吸收器在二氧化钒处于绝缘相时，在2THz到3THz范围内的吸收率会逐渐从0％增加到20％以上，并不能很好的关闭太赫兹吸收器的太赫兹波吸收功能。
发明内容
为了提高开关型太赫兹波吸收器的吸收带宽和吸收率，且不增加开关型太赫兹波吸收器的设计与制备难度，本发明提供了一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器及吸收装置。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，包括：多个呈矩阵形式排列的微结构单元；
所述微结构单元包括：相变材料层、介质层和反射层；所述相变材料层位于所述介质层的上表面，所述反射层位于所述介质层的下表面；
所述相变材料层包括：4个呈矩阵形式排列的L形VO2贴片；所述L形VO2贴片中间镂空，镂空图案为按比例缩小的L形；其中，所述L形VO2贴片的两个长臂向所述相变材料层的边沿方向延伸，任意两个相邻的L形VO2贴片呈镜像对称。
优选地，所述长臂的长度为18μm～28μm，宽度为11μm～17μm，厚度为0.2μm～1μm；
所述镂空图案的外边沿距离所述L形VO2贴片的外边沿的宽度为3μm～6μm。
优选地，每个所述微结构单元中，任意两个相邻的L形VO2贴片之间的距离为10μm～18μm。
优选地，所述相变材料层的外边沿不超出所述介质层的边沿，且与所述介质层的边沿之间的距离不小于2μm。
优选地，所述介质层采用相对介电常数在(2，4)之间的、电损耗正切小于0.01的非导电材料制成。
优选地，所述非导电材料包括：聚酰亚胺或苯并环丁烯BCB。
优选地，所述介质层呈正方形结构，所述正方形结构的边长为32μm～38μm，厚度为8μm～12μm。
优选地，所述反射层的材质包括：金、铜或铝。
优选地，所述反射层的厚度为0.1μm～1μm。
第二方面，本发明提供了一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收装置，包括：上述的任一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器和温度调控模块；
所述温度调控模块，用于调控所述开关型宽带太赫兹波吸收器中的相变材料层的温度，以控制所述相变材料层的相变状态；其中，当所述相变材料层处于金属相时，所述开关型宽带太赫兹波吸收器的太赫兹波吸收功能开启，当所述相变材料层处于绝缘相时，所述开关型宽带太赫兹波吸收器的太赫兹波吸收功能关闭。
本发明提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器中，相变材料层由一层具有特殊结构的VO2组成；常温下VO2处于绝缘相时，太赫兹波穿过相变材料层被反射层完全反射，此时该开关型宽带太赫兹波吸收器的反射率几乎为100％，吸收率几乎为0。当温度T升高到约350K时，VO2处于金属相，相变材料层形成一个金属谐振层；该金属谐振层特定的结构可与太赫兹波耦合使得太赫兹波进入介质层并被束缚在里面，基于该金属谐振层与反射层之间形成反向的感应电流，令介质层中产生磁偶极子谐振，磁谐振消耗了束缚在介质层中太赫兹波的能量，使得本发明提供的开关型宽带太赫兹波吸收器在工作带宽下的太赫兹波段吸收率达到90％以上，在特定的太赫兹频率处的吸收率可达到99％，呈现出全吸收的状态。由此，本发明实现了一种具有高吸收率的开关型宽带太赫兹波吸收器，其不仅可以用作宽带的吸收器，也可以用作宽带的反射器。
并且，本发明提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器具有3层结构，相较于现有的螺旋结构、超多层结构而言，本发明提供的开关型宽带太赫兹波吸收器的结构较为简单；更进一步的，本发明中，用于谐振的相变材料层仅使用了VO2一种材料制成，相较于现有技术中采用金属加半导体或金属加石墨烯两种材料制备谐振层的太赫兹波吸收器而言，本发明提供的开关型宽带太赫兹波吸收器的结构更为简单。因此，本发明提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器的设计与制备难度低。
另外，由于本发明中的相变材料层的结构具有旋转对称性，故对入射的太赫兹波是偏振不敏感的。同时，本发明提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，还具有宽入射角度的吸收特性。因此，本发明提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器在宽角度和不同偏振入射下仍保持良好的吸收特性。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器的结构示意图；
图2是图1所示开关型宽带太赫兹波吸收器中的微结构单元的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是基于图1所示的开关型宽带太赫兹波吸收器进行仿真时，该开关型宽带太赫兹波吸收器随频率变化的反射谱线图；
图5是基于图1所示的开关型宽带太赫兹波吸收器进行仿真时，该开关型宽带太赫兹波吸收器随频率变化的吸收谱线图；
图6是基于图1所示的开关型宽带太赫兹波吸收器进行仿真时，该开关型宽带太赫兹波吸收器在二氧化钒处于金属相时随太赫兹波入射角变化的吸收谱线图；
图7是本发明实施例提供的一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收装置的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了提高开关型太赫兹波吸收器的吸收带宽和吸收率，且不增加开关型太赫兹波吸收器的设计与制备难度，本发明实施例提供了一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器及吸收装置。
首先，对本发明实施例提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器进行详细说明。参见图1和图2所示，该开关型宽带太赫兹波吸收器包括：多个呈矩阵形式排列的微结构单元4。
其中，每个微结构单元4包括：相变材料层1、介质层2和反射层3；相变材料层1位于介质层2的上表面，反射层3位于介质层2的下表面。参见图2所示，该相变材料层1包括：4个呈矩阵形式排列的L形VO2贴片；这些L形VO2贴片中间均镂空，镂空图案为参照该L形VO2贴片而按比例缩小的L形；其中，每个L形VO2贴片的两个长臂向相变材料层1的边沿方向延伸，任意两个相邻的L形VO2贴片呈镜像对称。这样，每个微结构单元中的相变材料层1中的4个L形VO2贴片两两之间呈一种背靠背式的排列方式。
本发明实施例提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器中，相变材料层1由一层具有特殊结构的VO2组成；常温下VO2处于绝缘相时，其电导率为0.02西门子每米，太赫兹波穿过相变材料层1被反射层3完全反射，此时该开关型宽带太赫兹波吸收器的反射率几乎为100％，吸收率几乎为0。当温度T升高到约350K时，VO2处于金属相，其电导率为2.00×105西门子每米，此时相变材料层1形成一个金属谐振层；该金属谐振层特定的结构可与太赫兹波耦合使得太赫兹波进入介质层并被束缚在里面，基于该金属谐振层与反射层之间形成反向的感应电流，令介质层中产生磁偶极子谐振，磁谐振消耗了束缚在介质层中太赫兹波的能量，使得本发明实施例提供的开关型宽带太赫兹波吸收器在工作带宽下的太赫兹波段吸收率达到90％以上，在特定的太赫兹频率处的吸收率可达到99％，呈现出全吸收的状态。由此，本发明实施例实现了一种具有高吸收率的开关型宽带太赫兹波吸收器，其不仅可以用作宽带的吸收器，也可以用作宽带的反射器。
并且，本发明实施例提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器具有3层结构，相较于现有的螺旋结构、超多层结构而言，本发明实施例提供的开关型宽带太赫兹波吸收器的结构较为简单；更进一步的，本发明实施例中，用于谐振的相变材料层1仅使用了VO2一种材料制成，相较于现有技术中采用金属加半导体或金属加石墨烯两种材料制备谐振层的太赫兹波吸收器而言，本发明实施例提供的开关型宽带太赫兹波吸收器的结构更为简单。因此，本发明实施例提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器的设计与制备难度低。
另外，由于本发明实施例中的相变材料层1的结构具有旋转对称性，故对入射的太赫兹波是偏振不敏感的，即对横电TE极化和横磁TM极化不敏感；同时，本发明实施例提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，还具有宽入射角度的吸收特性，即使入射角增加到40°时，吸收率仍保持在90％以上。因此，本发明提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器在宽角度和不同偏振入射下仍保持良好的吸收特性。
优选地，上述的L形VO2贴片的两个长臂的长度可以为18μm～28μm，宽度可以为11μm～17μm，厚度可以为0.2μm～1μm；该L形VO2贴片上的镂空图案的外边沿距离该L形VO2贴片的外边沿的宽度可以为3μm～6μm。
优选地，每个微结构单元4中，任意两个相邻的L形VO2贴片之间的距离可以为10μm～18μm。
优选地，对于每个微结构单元而言，其相变材料层1的外边沿不超出介质层2的边沿，且与介质层2的边沿之间的距离不小于2μm。这样，在将多个微结构单元4周期性的排列在一起时，相邻的微结构单元4的相变材料层1之间保留有间距，不会互相干扰。当然，在开关型宽带太赫兹波吸收器中的各个相邻的微结构单元4之间本身就保留有一定间距的情况下，相变材料层1的外边沿也是可以与介质层2的边沿齐平的。
优选地，上述的介质层2可以采用相对介电常数在(2，4)之间的、电损耗正切小于0.01的非导电材料制成；例如，聚酰亚胺或苯并环丁烯BCB。其中，聚酰亚胺的相对介电常数为3.5，电损耗正切为0.008。苯并环丁烯BCB的相对介电常数为2.6，电损耗正切为0.0005。
优选地，该介质层2可以呈正方形结构，该正方形结构的边长为32μm～38μm，厚度为8μm～12μm。相应的，该开关型宽带太赫兹波吸收器共有N×N个微结构单元4，N≥2。另外，还可以理解的是，当该开关型宽带太赫兹波吸收器共有M×N个微结构单元4时，该介质层2还可以呈长方形结构，M≠N，且M≥2。
优选地，上述的反射层3的材质可以包括：金、铜或铝等，并不局限于此。
优选地，该反射层3的厚度可以为0.1μm～1μm。
作为示例，本发明实施例给出了一个优选的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其微结构单元的尺寸参数参见图3所示，包括：介质层2、反射层3的边长均为p＝33μm，L形VO2贴片的长臂的长度l1＝22μm，L形VO2贴片的长臂的宽度l2＝13μm，镂空图案的外边沿距离L形VO2贴片的外边沿的宽度c＝4μm，相邻的L形VO2贴片之间的距离d＝16μm；另外，该开关型宽带太赫兹波吸收器中，L形VO2贴片的厚度以及金制的反射层3的厚度均可以为0.2μm，中间的介质层2厚度可以为10μm。
为了说明本发明实施例提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器的性能，下面对基于图1所示的开关型宽带太赫兹波吸收器进行仿真验证的结果进行说明。在仿真过程中，开关型宽带太赫兹波吸收器的结构参数沿用上述示例中示出的一组结构参数，并对该开关型宽带太赫兹波吸收器中的相变材料层进行模拟温度调控，得到的仿真结果可以参见图4、图5和图6所示。
从图4中可以看到，当处于室温T＝300K时，VO2处于绝缘相，此时该开关型宽带太赫兹波吸收器处于关闭状态，在整个工作频率范围内吸收率几乎为0，反射率几乎为100％，具备全反射的功能，是一个完美反射器。
从图5中可以看到，当温度升高到T＝350K时，VO2处于金属相，此时该开关型宽带太赫兹波吸收器处于开启状态，在2.4THz到5.9THz的宽带范围内吸收率均达90％以上；特别是在3.9THz到4.7THz范围内吸收率高达99％，具备全吸收的功能，是一个完美吸收器。
另外，从图6中还可以看到，当VO2处于金属相时，该开关型宽带太赫兹波吸收器在吸收频段内对太赫兹波斜角度入射仍保持着良好的吸收特性；例如，当入射角增加到40°时，吸收率仍保持在90％以上。同时，本发明实施例提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，对TE极化和TM极化不敏感，这是因为该开关型宽带太赫兹波吸收器中的微结构单元4采用了旋转对称结构。由此可见，本发明提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器在宽角度和不同偏振入射下仍保持良好的吸收特性。
基于上述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，本发明实施例还提供了一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收装置，该装置包括：上述任一个实施例中所示的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，以及一个温度调控模块。
其中，该温度调控模块，用于调控该开关型宽带太赫兹波吸收器中的相变材料层的温度，以控制该相变材料层的相变状态；其中，当该相变材料层处于金属相时，该开关型宽带太赫兹波吸收器的吸收功能开启，当该相变材料层处于绝缘相时，该开关型宽带太赫兹波吸收器的吸收功能关闭。
在实际应用中，该温度调控模块调控相变材料层的温度的具体实现方式存在多种。示例性的，在一种实现方式中，如图7所示，该温度调控模块可以是一个温度控制平台，该温度控制平台与开关型宽带太赫兹波吸收器的反射层贴合在一起；这样，该温度控制平台控制自身的温度变化时，通过热传导效应，即可控制开关型宽带太赫兹波吸收器中的相变材料层的温度。在另一种实现方式中，如图8所示，该温度调控模块可以包括温度调控单元5和一个热传导单元6，该温度调控单元5用于控制该热传导单元6的温度，该热传导单元6为一个平台结构，与开关型宽带太赫兹波吸收器中的反射层3贴合在一起。这样，温度调控单元5控制该热传导单元6的温度变化时，通过热传导效应，即可控制开关型宽带太赫兹波吸收器中的相变材料层1的温度。
本发明实施例提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收装置中，采用了本发明实施提供的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器；因此，本发明实施例提供的开关型宽带太赫兹波吸收装置，在温度调控模块的作用下，可以在宽带范围内近似理想地开关太赫兹波的吸收功能，且当吸收功能开启时，在宽带范围内具有较高的吸收率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，包括：多个呈矩阵形式排列的微结构单元；
所述微结构单元包括：相变材料层、介质层和反射层；所述相变材料层位于所述介质层的上表面，所述反射层位于所述介质层的下表面；
所述相变材料层包括：4个呈矩阵形式排列的L形VO2贴片；所述L形VO2贴片中间镂空，镂空图案为按比例缩小的L形；其中，所述L形VO2贴片的两个长臂向所述相变材料层的边沿方向延伸，任意两个相邻的L形VO2贴片呈镜像对称。
2.根据权利要求1所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，
所述长臂的长度为18μm～28μm，宽度为11μm～17μm，厚度为0.2μm～1μm；
所述镂空图案的外边沿距离所述L形VO2贴片的外边沿的宽度为3μm～6μm。
3.根据权利要求1所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，每个所述微结构单元中，任意两个相邻的L形VO2贴片之间的距离为10μm～18μm。
4.根据权利要求1所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，所述相变材料层的外边沿不超出所述介质层的边沿，且与所述介质层的边沿之间的距离不小于2μm。
5.根据权利要求1所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，所述介质层采用相对介电常数在(2，4)之间的、电损耗正切小于0.01的非导电材料制成。
6.根据权利要求5所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，所述非导电材料包括：聚酰亚胺或苯并环丁烯BCB。
7.根据权利要求1所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，所述介质层呈正方形结构，所述正方形结构的边长为32μm～38μm，厚度为8μm～12μm。
8.根据权利要求1所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，所述反射层的材质包括：金、铜或铝。
9.根据权利要求1所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器，其特征在于，所述反射层的厚度为0.1μm～1μm。
10.一种基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收装置，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一项所述的基于VO2的开关型宽带太赫兹波吸收器和温度调控模块；
所述温度调控模块，用于调控所述开关型宽带太赫兹波吸收器中的相变材料层的温度，以控制所述相变材料层的相变状态；其中，当所述相变材料层处于金属相时，所述开关型宽带太赫兹波吸收器的太赫兹波吸收功能开启，当所述相变材料层处于绝缘相时，所述开关型宽带太赫兹波吸收器的太赫兹波吸收功能关闭。
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