CN113451719A - 一种双重电调控超表面开关滤波器设计 - Google Patents

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方正
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Abstract

一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器，属于电磁功能器件的技术领域。所述滤波器包括介质板，位于介质板上层的石墨烯层，位于石墨烯上层的局域电磁场增强金属结构，形成于介质板之下的介质材料底板，以及周期间电加热装置；可通过外加电压使电阻丝发热从而改变二氧化钒的电导率，实现超表面开关滤波，同时可通过偏置电压改变石墨烯费米能级，也可实现滤波频带微调控制。在常温状态下在32THz‑45.7THz频段形成平均透射率为90％的通带，在通电情况下，在39.4THz‑45.7THz频段形成谐振中心频率为42.7THz，带宽为6.3THz的阻带。

Description

一种双重电调控超表面开关滤波器设计
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与石墨烯的超表面开关滤波器设计。
背景技术
太赫兹波(Terahertz)是位于0.1THz-10THz(30μm-3mm)频段内的电磁波，与微波波段及红外波段均有交叉区域，因此太赫兹波在拥有自身独特特性的同时，还具备了微波和红外波的优点，高透射性、瞬时性、宽带性等特性，令其在精准成像和宽带通信等方面具有重要应用前景。
滤波器作为电磁调控系统中的关键组成部分，具有重要的研究价值。适用于不同系统中具有宽阻带或通带，具备陡峭的上升下降沿，具有灵活调谐等特性的滤波器是当前研究的热门方向。自然材料难以达到宽频带的滤波作用。基于超材料人工设计周期结构中谐振单元对电磁波的响应，可以实现人工控制的电磁特性。
通常超材料周期结构一旦确定便无法动态调控滤波特性，为了克服上述缺点，便有了基于超材料的可调谐器件，通过不同的外界激励，例如温度、激光、电场等，对电磁波实现动态调控。
石墨烯是一种由平坦的单层碳原子包裹而成的2D蜂窝状晶格，具有高电子迁移率，灵活的可调谐性，相对低的损耗等特性，可以通过加载偏置电压等手段改变石墨烯费米能级实现石墨烯电导率动态调谐。
二氧化钒是一种深蓝色晶体粉末，单斜晶系结构。以其相变特性而与其它材料显得与众不同。在低温下，二氧化钒作为绝缘体，当相变温度为68℃时，二氧化钒为金属态，且两种状态之间变化是可逆的。二氧化钒所具有的独特导电特性让其在光器件、电子装置和光电设备中具有极大的应用潜力。
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与石墨烯的超表面开关滤波器。具有可电控制开关及电调谐双重控制，滤波频带宽等特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于二氧化钒和石墨烯超表面开关滤波器，包括介质基板，位于基板上层的石墨烯层，位于石墨烯上层的局域电磁场增强金属结构，形成于基底之下的介质材料衬底，以及周期间电加热装置；其中，所述的电磁场增强金属结构包括周期排列的单元结构，所述的单元结构包括田字形金属结构和嵌于田字金属结构中央的块状二氧化钒。
进一步地，通过调节电磁场增强金属结构的长度、宽度等结构参数以及二氧化钒的长度宽度，可以使该开关滤波器件工作在太赫兹频段以及红外频段。
进一步地，所述基底为SU-8光刻胶，厚度为200nm。
进一步地，所述的金属周期结构材料为金，形状为田字形，并位于正方形周期结构的中央，金属周期结构厚度为75nm。
进一步地，所述衬底材料为氟化钡，厚度为周期单元二分之一个边长。
进一步地，所述电加热结构为在Y方向两端添加宽为50nm的金属线，并在二氧化钒材料中间部分添加宽度为20nm的电阻丝。
本发明提供一种基于二氧化钒和石墨烯的超表面开关滤波器件，采用金属-二氧化钒混合结构与石墨烯相结合的表面电磁波增强设置，利用石墨烯动态调谐特性与二氧化钒相变特性，从而进行对滤波器动态电控制的作用。在电加热结构的控制下，可以改变二氧化钒材料特性，从而达到开关滤波器的效果。在石墨烯费米能级控制下，可以实现滤波频段发生移动的效果。从而实现对滤波器滤波特性的双重动态调控作用。
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与石墨烯的超表面开关滤波器，通过在田字形结构 Y方向的两端添加金属连通线和在二氧化钒中间添加电阻丝结构，通过加热调谐二氧化钒的相变，最终实现了滤波器的开关滤波作用。
2、本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器，利用石墨烯层上两侧金属条与绝缘介质层下的方形金属环结构共同作为电极，实现石墨烯费米能级的动态调控，从而达到控制滤波器工作频率的效果。
3、本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器，结构简单，设计的电加热装置容易控制，且在加热时不影响该结构的滤波性能，制作方便。
附图说明
图一为本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器的周期结构示意图，其中，1为BaF2衬底，2为SU-8光刻胶，3为石墨烯层，4为田字形金属(金)层， 5为50nm的金属线。
图二为本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器的单元结构示意图，其中，6为20nm的电阻丝，7为二氧化钒块。
图三为本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器，二氧化钒在常温和高温情况下的透射曲线图。
图四为本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯超表面开关滤波器，石墨烯在外加不同偏置电压条件下透射曲线图。
图五为本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯超表面开关滤波器，在常温条件下，田字金属-二氧化钒混合结构表面电场分布示意图。
图六为本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯超表面开关滤波器，在高温条件下，田字金属-二氧化钒混合结构表面电场模分布示意图。
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。
本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器，由田字形金属-二氧化钒混合结构的石墨烯超材料谐振单元构成，二氧化钒块嵌入在田字形金属结构中心位置。通过外加电压控制电阻丝温度改变二氧化钒的导电率，最终通过改变超表面谐振特性来实现电磁波透射特性的改变，进而实现不同温度下滤波器的开关特性。其开关特性原理为：在常温下，二氧化钒为绝缘态，当达到相变温度(70℃)时，改变为金属态，从而使得谐振效应从LC谐振改变为电偶极子谐振，最终达到开关滤波的效果。通过外加电压改变该滤波器石墨烯费米能级，从而实现不同电压下滤波器的工作频段移动，起到调谐滤波器工作频段的作用。
如图1所示，为本发明提供一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器结构示意图：包括BaF2衬底，位于衬底上的，厚度200nm的光刻胶，光刻胶之上为一石墨烯层，位于石墨烯层上的周期田字形金属氧化钒混合结构，在二氧化钒晶体嵌入田字形金属中央，通过改变外界温度从而改变其电导率，实现滤波器的低温与高温不同的谐振机理，进而实现开关滤波效果。
如图2所示，为本发明提供一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器结构单元示意图：在超材料顶层金属中心嵌入二氧化钒-金属混合控制结构，控制结构的金属部分为田字形，二氧化钒位于田字形结构的中心镂空处且与金属紧密连接，构成一个：田字形的整体结构。激励太赫兹波入射到该结构的表面处，当处于常温时，通过观察电场分布图，如图 5所示，电场集中在中间二氧化钒的间隙部分，故该电场分布为LC谐振；当处于高温时，通过观察电场分布图，如图6所示，电场主要集中在田字形结构的左右两侧边缘部分，此为典型的电偶极子谐振而产生的电场分布。在不同温度下的谐振机理不同，所以形成的透射谱特性也不相同，如图3所示，从而实现该滤波器的开关特性。当外加电压改变石墨烯的费米能级时，金属结构的透射特性会随费米能级的变化而产生的偏移，如图4所示，从而实现了动态调谐滤波器的工作频段的特性。通过优化滤波器的臂长和臂宽等参数得到最高的透射率。
本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波，是通过改变温度进而改变二氧化钒的电导率来实现滤波器的开关特性，二氧化钒电导率改变对应不同的滤波特性。具体为，改变外界温度时，二氧化钒发生相变，其电导率将在皮秒级的时间内发生改变从而使得谐振效应从LC谐振改变为电偶极子谐振，最终达到开关滤波的效果。通过外加电压改变该滤波器石墨烯费米能级，从而实现不同电压下滤波器的工作频段发生移动，起到调谐滤波器工作频段的作用。
对本发明提供的一种基于二氧化钒与石墨烯的超表面开关滤波器进行仿真后发现其效果显著，可行性极高。如图3所示，图中方形点线为常温状态下VO2呈非金属态时的透射曲线，滤波器在3.86THz-4.39THz内形成平均透射率达到90％以上，带宽为0.53THz的通带；红色圆形点线为高温(70℃)状态下VO2呈金属态时的透射曲线，滤波器工作在 1THz-5.5THZ时的阻带谐振中心频率为4.62THz，带宽为0.57THz。修改石墨烯费米能级从 0eV到1eV、2eV时，透射谱会分别向低频段移动1THz和2THz。田字形结构滤波器工作在太赫兹频段内同样具有开关滤波效果，并与工作在红外波段的滤波特性有相似的变化规律。
尽管上述材料已经详细说明了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例，不能理解为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以提出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.·一种基于二氧化钒和石墨烯超表面开关滤波器，包括介质基板，位于基板上层的石墨烯层，位于石墨烯上的局域电磁场增强金属结构，形成于基底之下的介质材料衬底，以及周期间电加热装置；其中，所述的电磁场增强金属结构包括多个阵列周期排列的单元结构，所述的单元结构包括田字形金属结构和嵌于其中央开口处的块状二氧化钒。
·根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的超表面开关滤波器，其特征在于，所述介质材料为SU-8光刻胶，底板材料为氟化钡，介质材料上层为一层石墨烯。
·根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的超表面开关滤波器，其特征在于，所述的金属周期结构材料为金，形状为中心开口田字形，并位于正方形周期单元结构的中央。
·根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的超表面开关滤波器，其特征在于，所述的金属结构厚度为75nm。
·根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的超表面开关滤波器，其特征在于，所述的光刻胶厚度为200nm。
·根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的超表面开关滤波器，其特征在于，所述的衬底厚度为周期单元二分之一个边长。
·根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的超表面开关滤波器，其特征在于，所述的电加热结构为在Y方向两端添加宽为50nm的金属线，并在二氧化钒材料中间部分添加宽度为20nm的电阻丝。
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