CN113948876A - 一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹完美吸收器的领域，具体为一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器，该吸波器由三层组成，顶层为二氧化钒图案层，中间层为二氧化硅介质层，底层为二氧化钒基底层，所述二氧化钒图案层是由结构单元周期排布形成的，每个所述结构单元由内方环和外方环构成，所述内方环设置在外方环的环内，所述外方环两侧的环边开设有非对称的空气切槽。本发明图形结构简单，通过合理调控二氧化钒温度，可以有效地调节三个窄带吸收峰强度，通过合理设定单元结构的几何参数及基底的折射率等，可以有效地调节三个窄带吸收峰位置，具有低温时太赫兹波高透过，高温时高吸收的双功能。

Description

一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器

技术领域

本发明属于太赫兹完美吸收器的领域，具体涉及一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器。

背景技术

二氧化钒是热致相变材料，高于其相变温度68℃时，VO₂会发生介电相到金属相之间的可逆相变，并且相变前后电阻率的变化最高可达5个数量级。太赫兹波是频率在0.1到10THz之间的电磁波。它具有信噪比高、穿透性强等特点，在通信领域和无损检测领域有着广泛的应用。太赫兹吸波器具有操控太赫兹波的振幅、相位和传播方向能力。通常是由金属和介质材料组成的微米级阵列。通过对单元谐振器、尺寸或介质的合理设计，可以实现太赫兹波段的完美吸收、极化转换和相位延迟。

完美吸波器一般采用三层结构，顶层为周期性金属谐振结构，中间层为具有一定厚度的电介质或者绝缘体材料，底层采用厚度远大于电磁波在金属中趋肤深度的连续金属膜，可以起到阻挡电磁波透射的作用。通过合理优化结构参数，可以实现对器件工作波长的改变和吸收的调节。首次提出于2008年，利用三层复合结构(金属-介质-金属)实现电磁波完美吸收的可行性，并在11.5GHz处获得了一个单一的窄带完美吸收峰。

本发明提出的动态热可调三窄带完美吸波器具备设计灵活、响应可调、厚度小、吸波强等优点，通过设计合理的结构可以实现极窄带宽和多峰调制，可以广泛应用于热传感器件、热调制器以及光电检测等领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器，具有低温时太赫兹波高透过，高温时高吸收的双功能，该吸波器可以有效应用在热传感器件、热调制器、以及光电检测领域。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器，由三层微米级薄膜组合而成，顶层为二氧化钒图案层，中间层为二氧化硅介质层，底层为二氧化钒基底层，所述二氧化钒图案层是由结构单元周期排布形成的，每个所述结构单元由内方环和外方环构成，所述内方环设置在外方环的环内，所述外方环两侧的环边开设有非对称的空气切槽；所述吸波器可以产生三个吸收峰，波峰的位置恒定，当温度等于73℃时，三个吸收峰的强度为100％。

优选的，所述二氧化钒图案层的厚度为0.5μm-2μm，二氧化硅介质层的厚度为8μm-20μm，二氧化钒基底层的厚度为3μm-8μm，所述二氧化硅介质层介电常数为3.09-3.73。

优选的，所述结构单元沿x、y轴的周期P_x＝P_y＝49μm-51μm。

优选的，所述内方环的内环边长l₁＝15μm-16μm，所述内方环的外环边长l₂＝20μm-29μm，所述外方环的内环边长l₃＝33μm-41μm，所述外方环的外环边长l₄＝46μm-48μm，所述外方环的环边开设的空气切槽宽度为3.5μm-4.5μm，所述空气切槽在外方环的一侧的居中开设，对应的另一侧向上偏移2.5μm-3.5μm。

一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器在热传感器件、热调制器、以及光电检测的应用。

有益效果

本发明提供的吸波器为完美吸波器，由三层微米级薄膜组合而成，仅利用了二氧化钒及二氧化硅两种材料，二氧化钒设在顶层和底层，中间介质层为二氧化硅，使用的材料简单，并不需要使用金属，摒弃了使用金属及复杂的结构，实现了去金属化，不需要利用金属就可以实现完美吸收，并且由于做到了去金属化，且结构简单，厚度都属于微米量级，易于加工，更利于生产。

本发明提供的完美吸波器具有双功能：低温时，整个器件呈太赫兹波段透明；高温时，吸波器可以产生三个窄带完美吸收峰，可以将电磁波完全吸收，使反射R为0，吸收A接近100％，实现完全吸收；通过温度的动态调节使吸波器产生大面积的温度响应，进而来控制吸收峰的强度。

本发明的结构单元由大小不一的双方环构成，外方环两侧的环边开设有非对称的空气切槽，空气切槽及其非对称的结构可以有效提高电磁波吸收强度，内外方环的结构相互作用，相互影响，可以产生LC共振及电偶极共振，并在某些频率处出现共振极值，进而产生三个窄带吸收峰。

本发明所述吸波器可以产生三个吸收峰，波峰的位置恒定，当温度等于73℃时，三个吸收峰的强度为100％，通过设置中间介质层的厚度可以调节共振吸收峰的位置，因此本发明的吸波器通过调控不同的温度或者几何参数，可以有效的调节吸收峰的强度以及吸收峰的位置。室温时，即低于相变点68℃，吸收非常微弱，此时器件呈现高透射即太赫兹透明。当温度升高时，吸收强度逐渐增强，相变点68℃时，形成三窄带完美吸收。

本发的吸波器具有较强的温度调控吸收强度以及较高的折射率灵敏度，可应用在动态热传感器件、热调制器以及光电检测等领域。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的结构单元俯视图

图3为本发明的结构单元立体图；

图4为本发明的吸波器的吸收光谱对不同温度的响应图；

图5为本发明的吸波器在73℃时对应的阻抗匹配图；

图6为本发明的吸波器在吸收峰处的中间介质表面电场分布，及介质上下表面形成的电流分布的对照图；

图7为本发明的吸波器的吸收光谱对顶层图案的几何参数l₂的响应图；

图8为本发明的吸波器的吸收光谱对顶层图案的几何参数l₃的响应图；

图9为本发明的吸波器的吸收光谱对顶层图案的几何参数l₄的响应图；

图10为本发明的吸波器的吸收光谱对中间介质层的厚度t₂的响应图

图11为本发明的吸波器的吸收光谱对介电常数变化的响应图；

图12为本发明的吸波器的吸收光谱对入射角变化的响应图；

图13为本发明的吸波器的吸收光谱对器件所处不同环境变化的响应图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

该吸波器如图1-3所示，底层的二氧化钒厚度为4μm。中间介质层为二氧化硅，其介电常数为3.73，厚度为16μm。顶层的二氧化钒厚度为2μm。沿x、y轴的周期P_x＝P_y＝50μm，其中l₁＝16μm，l₂＝26μm，l₃＝33μm，l₄＝48μm，外环空气槽宽度为4μm，左侧居中，右侧向上偏移3μm。

二氧化钒的介电常数采用有效介质理论得到形式为，

其中介质相的二氧化钒的介电常数ε_i＝9，金属相的二氧化钒的介电常数由Drude模型得到，即

其中τ为弛豫时间，f为二氧化钒金属相在整个晶格中的体积分数，

f＝f_max{1-1/[1+Exp[(T-T_c)/ΔT]]}，其中T_c是相变温度，ΔT是热滞温度。

实施例2

该吸波器如图1-3所示，底层的二氧化钒厚度为3um。中间介质层为二氧化硅，其介电常数为3.09，厚度为8μm。顶层的二氧化钒厚度为0.5μm。沿x、y轴的周期P_x＝P_y＝49μm，其中l₁＝15μm，l₂＝20μm，l₃＝33μm，l₄＝46μm，外环空气槽宽度为3.5μm，左侧居中，右侧向上偏移2.5μm。

二氧化钒的介电常数采用有效介质理论得到形式为，

其中介质相的二氧化钒的介电常数ε_i＝9，金属相的二氧化钒的介电常数由Drude模型得到，即

其中τ为弛豫时间，f为二氧化钒金属相在整个晶格中的体积分数，

f＝f_max{1-1/[1+Exp[(T-T_c)/ΔT]]}，其中T_c是相变温度，ΔT是热滞温度。

实施例3

该吸波器如图1-3所示，底层的二氧化钒厚度为8μm。中间介质层为二氧化硅，其介电常数为3.73，厚度为20μm。顶层的二氧化钒厚度为2μm。沿x、y轴的周期P_x＝P_y＝51μm，其中l₁＝17μm，l₂＝29μm，l₃＝41μm，l₄＝48μm，外环空气槽宽度为4.5μm，左侧居中，右侧向上偏移3.5μm。

二氧化钒的介电常数采用有效介质理论得到形式为，

其中介质相的二氧化钒的介电常数ε_i＝9，金属相的二氧化钒的介电常数由Drude模型得到，即

其中τ为弛豫时间，f为二氧化钒金属相在整个晶格中的体积分数，f＝f_max{1-1/[1+Exp[(T-T_c)/ΔT]]}，其中T_c是相变温度，ΔT是热滞温度。

试验例：

1、温度对该吸波器的吸收光谱的影响

图4为不同温度下，该吸波器的三窄带吸收光谱。随着温度的增加，三个吸收峰的强度从0增加到100％，波峰的位置保持不变。因此可以通过设定温度，灵活的调制三个窄带吸收峰的强度。

当温度远低于68℃时，三个吸收峰的强度为0。随着温度上升，吸收的强度逐渐增强，在63℃时，吸收峰强度分别为0、0、9.10％，升温至68℃时，对应的吸收强度突变为98.12％、82.26％、93.23％。当温度为73℃时，达到最优，实现完美吸收，对应的吸收强度为95.86％、100％、100％。随着温度继续升高，吸收强度会有下降，在78℃时，对应的吸收强度降为84.71％、94.92％、95.09％。温度继续增加，吸收峰的强度会下降，三个吸收峰依旧维持在80％以上的高吸收。

2、吸波器在太赫兹波段内的阻抗匹配图

根据阻抗匹配理论，吸波器的反射率可以表示为

R＝|[Z_eff-Z₀]/[Z_eff+Z₀]|²，其中Z_eff为吸波器的有效阻抗，Z_o为空气阻抗。在共振位置，反射率R约等于0。根据公式A＝1-R，对应的吸收A为1.0。图5为73℃时，器件的阻抗匹配图。在三个共振频率位置，阻抗的实部等于1.0，虚部近似为0，与空气的阻抗值相等，实现了完美匹配。因此，入射电磁波完全进入吸波器内部，实现完美吸收。

3、吸波器的中间层上下表面的电场及表面电流分布

图6为中间介质层上下表面的电场和表面电流分布图。图6(a)为f₁＝0.67THz处的电场分布，电场主要分布于外圈两侧，由于在x方向上与相邻的外环发生强电场耦合而产生完美吸收峰，图6(d)为对应的表面电流在介质上层的分布，电流方向指向左侧，而图6(g)为介质下层表面电流方向，与上层电流方向反平行。

图6(b)是f₂＝2.39THz处的电场分布，是由于图6(b)中内外环之间的强偶极子共振引起的，在图6(e)和图6(h)的中间层的两侧，感应电流方向也是反平行的。

在图6(c)中，电场位于在f₃＝3.62THz的内外环周围，图6(g，i)中的感应电流环绕方向相反，它将形成一个闭环，闭环结构引起的磁偶极子共振将电磁波局限于中间介质层。

4、顶层的几何参数l₂、l₃、l₄对吸收谱的影响

图7-9为几何参数对吸波器性能的影响。当l₂从20μm增加到29μm时，f₂的吸收峰在图7中出现明显的红移。由于l₂的增加，内环越来越接近外环。它们形成一个类似于平行板电容器的结构。根据LC共振理论，电容与距离d成反比，因此相应吸收峰f₂发生红移。图8中，随着l₃的增大，外圈宽度减小，气槽宽度增大，导致耦合能量重新分布，f₂发生红移。图9中，当l₄增加时，f₁和f₃的吸收峰移到低频区域，但f₂的吸收几乎没有变化。

5、中间介质层的厚度和介电常数对吸收谱的影响

图10-11为中间介质层对吸收的影响。参考图10，当厚度t₂从8μm增加到20μm时，共振吸收峰向低频区域移动。图11为不同介质作为中间层时的吸收谱。当介电常数从2.0增加到3.5时，三个窄带吸收峰发生红移。中间介质的厚度和介电常数的增加对应着传播光的光程增大。根据干涉抵消原理

增加光程6会导致吸收波长增大，故吸收谱发生红移。

6、入射角对吸收谱的影响

图12为不同入射角对吸波器性能的影响。入射角为入射电磁波与z轴之间的夹角，当入射角从0°增加到90°，吸收峰位置几乎不变，f₁和f₂仍然保持高吸收。f₃的强度在大角度减弱。减弱的原因是当以大角度入射时，共振模式从对称变为非对称。

7、不同环境下的折射率对吸收谱的影响

图13为不同环境下的折射率对吸收光谱的影响。折射率从1.0增加到1.4，间隔为0.1。随着折射率n的增加，三个窄带完美吸收峰出现明显的红移，共振强度仍然保持在较高的值。

Claims (5)

1.一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器，其特征在于，由三层微米级薄膜组合而成，顶层为二氧化钒图案层，中间层为二氧化硅介质层，底层为二氧化钒基底层，所述二氧化钒图案层是由结构单元周期排布形成的，每个所述结构单元由内方环和外方环构成，所述内方环设置在外方环的环内，所述外方环两侧的环边开设有非对称的空气切槽。

2.根据权利要求1所述的一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器，其特征在于，所述二氧化钒图案层的厚度为0.5μm-2μm，二氧化硅介质层的厚度为8μm-20μm，二氧化钒基底层的厚度为3μm-8μm，所述二氧化硅介质层介电常数为3.09-3.73。

3.根据权利要求1所述的一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器，其特征在于，所述结构单元沿x、y轴的周期P_x＝P_y＝49μm-51μm。

4.根据权利要求1所述的一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器，其特征在于，所述内方环的内环边长l₁＝15μm-17μm，所述内方环的外环边长l₂＝20μm-29μm，所述外方环的内环边长l₃＝33μm-41μm，所述外方环的外环边长l₄＝46μm-48μm，所述外方环的环边开设的空气切槽宽度为3.5μm-4.5μm，所述空气切槽在外方环的一侧的居中开设，对应的另一侧向上偏移2.5μm-3.5μm。

5.权利要求1-4任一权利要求所述的吸波器在热传感器件、热调制器、以及光电检测的应用。

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