CN114755847B - 一种基于vo2的可切换的太赫兹波束调控器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件及其制备方法，属于太赫兹器件技术领域。包括底层可调光栅结构、衬底以及设置于衬底上的相位调制阵列结构，所述相位调制阵列结构由多个阵列排布的相位调制单元结构组成，所述相位调制单元结构为开口方向相对于X轴±45°的SRR结构。本发明通过将具有不同相位的单元结构按照相位计算公式排布成阵列的形式，在单元的背面嵌入VO2，实现了对双频段双空间的太赫兹波的异常折射的控制，当VO2为金属态时在低频段且在超表面正面实现了异常折射，当VO2为透射态时在高频段且在超表面背面实现了异常折射，因此实现了双频双空间的太赫兹波的异常折射控制。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件及其制备方法。
背景技术
太赫兹波的频段位于微波和远红外过渡区，范围为0.1THz～10THz，其波长范围为3000～30μm，能量为0.4～40meV，对比其他频段波，其电磁特性特殊，具有频率高、带宽较宽、强透射能力、携带信息丰富等优势。目前随着社会科技的发展，人们对太赫兹波的探索越来越深入，实现太赫兹器件的小型化和多功能也成为了研究者们追求的目标。
近几年来太赫兹超材料准光器件成为实现太赫兹波调控的一种有效技术。基于超表面的独特特性，可以实现许多效果，如波束偏转、偏振控制、全息图、聚焦透镜等。通常，基于超表面的器件以平坦的、特征尺寸小于或远小于波长的方式完成这些功能，并表现出更高的效率，所有这些都有利于集成器件。超材料与可控半导体材料相结合，通过外加激励条件使得人工微结构的频率特性发生改变，进而研制出对太赫兹波的空间传播进行调控的器件。近年来，国内外对于太赫兹波的调制展开了大量研究，目前主要运用温控、光控、电控的调控手段来调制太赫兹波，其中使用的可控半导体材料主要为超导材料、掺杂半导体、氧化钒、相变材料、石墨烯等，进而实现了对太赫兹波的幅值、相位、频率等高速调控。
二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，其相变温度为68℃，相变前后结构的变化导致对红外光由透射向反射的可逆转变，相变前后电阻率的变化高达四个数量级，其相变速率仅为十几飞秒，可发生光学、电学、热血下的巨大可逆突变。根据这一特性将其应用于制备智能控温薄膜领域。由于其优异的导电特性，也同时应用于电子器件。
近年来，研究人员通过将超表面单元进行阵列排布以及几何相位编码排布实现了透射或反射的多功能超表面，但这种静态超表面的功能不能主动切换，如论文“Broadbandand Robust Metalens with Nonl inear Phase Profi lesfor Efficient TerahertzWave Contro”；除此外将相变材料与超表面相结合实现了对太赫兹波的动态调控，通过排布几何相位单元的阵列实现了太赫兹波的聚焦、波束偏转等功能，但此器件一般仅能在同一器件上实现单种功能的切换，如论文“Terahertz Switchable Focusing Planar LensWith a Nanoscale Vanadium Dioxide Integrated Metasurface”。在太赫兹频率下，设计一种能在透射和反射模式之间主动切换的多功能超表面仍然是一个挑战。
发明内容
针对现有技术中太赫兹波调制的功能单一、不可主动切换的问题。本发明提供了一种工作于太赫兹波的基于VO2的可切换的全空间的波束调控器件，其目的在于：利用VO2的相变特性将不同功能集成到单一器件上，并通过外部物理刺激控制可以在功能和频段之间进行动态切换。本发明采用的技术方案如下：
一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，包括底层可调光栅结构、底层可调光栅结构上设置的衬底以及设置于衬底上的相位调制阵列结构，所述相位调制阵列结构由多个阵列排布的相位调制单元结构组成，所述相位调制单元结构为开口方向相对于X轴±45°的SRR结构。
作为优选，所述底层可调光栅结构由交错排列的金属光栅和VO2矩形栅组成。
作为优选，所述金属光栅和VO2矩形栅的长为X/(2*K)，其中宽为X，X是相位调制单元结构的周期大小，K为大于0的自然数。
作为优选，所述衬底为石英、蓝宝石、二氧化硅或高阻硅。
作为优选，所述金属光栅以及相位调制单元结构中的金属材料为Au、Ag、Cu或Al中的一种或多种。
作为优选，所述相位调制阵列结构为由多个调制单元结构构成的M*N型阵列，其中M和N大小满足总阵列长和宽均大于一倍太赫兹波长。
本发明还公开了一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：确定介质态和金属态下太赫兹波束调控器件分别所需的调制功能，并根据所述调制功能确定每个单元结构位置在两种状态下所需的相位；
步骤二：将VO2矩形栅和金属光栅交错排列，通过控制VO2的相变特性使得相位调制单元的底层可调光栅结构在光栅与金属背板之间切换，以实现透射模式和反射模式两种状态的切换；
步骤三：根据介质态下所需的工作频段以及每个相位调制单元结构所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构中SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现对应相位调制单元结构在介质态下的相位调制；
步骤四：根据金属态下所需的工作频段以及每个相位调制单元结构所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构中SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现对应相位调制单元结构在金属态下的相位调制；
步骤五：将每个相位调制单元结构放置在所需的相位补偿位置，使得两种状态的相位调制效果具有独立性，得到在不同频段下的动态全空间波束调控器件。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其调制单元在两种状态的调制作用具有独立性，通过将具有不同相位值的单元结构按照相位计算公式排布成阵列的形式，在单元的背面嵌入VO2，实现了在双频段内双空间的太赫兹波的异常折射的控制，当VO2为金属态时在低频段且在超表面正面实现了异常折射，当VO2为透射态时在高频段且在超表面背面实现了异常折射，因此实现了双频双空间的太赫兹波的波束偏转控制。
2、本发明提供的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，通过对单元SRR结构开口大小和开口方向的调整，在两种状态下都可以实现0～360°相位覆盖，具有较高的极化转换效率，介质态单元平均反射率～0.6金属态单元平均反射率～0.8。
3、本发明提供的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件选用了相变材料VO2,可以用光、电、热等多种激发，相变速度在飞秒量级，因此可以实现高速功能切换。
4、本发明提供的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其相位调制结构为二维平面结构，可通过细微加工工艺实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计带来的高难度加工。
5、本发明可工作于常温常压的环境下，且制作、使用方便，具有很好的应用潜力与前景。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明整体结构立体示意图；
图2为本发明一个实施例中相位调制单元结构示意图；
图3为本发明一个实施例中相位调制单元结构的正面和背面示意图；
图4为本发明一个实施例中介质状态下所选单元的幅相特性曲线；
图5为本发明一个实施例中金属状态下所选单元的幅相特性曲线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1-图5对本发明作详细说明。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例中，太赫兹波束调控器件包括底层可调光栅结构1、衬底2、以及形成于衬底之上的相位调制结构3，该相位调制结构3包括多个阵列排布的相位调制单元结构4，每个相位调制单元结构4为开口大小不同的SRR结构；所述底层可调光栅结构1包括VO2矩形栅101和金属光栅102。
如图2所示每个相位调制单元结构4(SRR结构)开口方向沿x轴±45°偏转，底层可调光栅结构1为金属光栅102和VO2矩形栅101交错排列，分别为长X/(2*K)(即26.67um)宽X(160um)的金属光栅102和VO2矩形栅101构成，本实施例中K＝3。
本实施例中，所述衬底2为石英，在另一实施例中，所述衬底2为蓝宝石、二氧化硅或高阻硅。
本实施例中，所述金属光栅101以及相位调制单元结构4中的金属材料为Au、Ag、Cu或Al等高电导率材料。
本实施例中，所述相位调制阵列结构3为由多个调制单元结构4构成的M*N型阵列，其中M和N大小满足总阵列长和宽均大于一倍太赫兹波长。
当VO2处于介质态时，其电导率约为200S/m,在太赫兹波段作用等同于介质，透射率高，底层结构相当于介质和金属光栅相交错排列，此外顶层SRR结构有各向异性的特性，此时当x极化(或y极化)THz波垂直入射时，大部分THz波能够透过双层结构，透射波发生计划转化并产生一定的移相，部分没有发生极化转换透的THz波将被底层光栅结构1反射回顶层SRR结构4再次发生极化转换，以此反复最终透过相位调制单元结构4，因而THz波得到高效的极化转换且通过改变SRR的开口大小保证了交叉极化波满足360°相位变化。同样在VO2处于金属态时，其电导率约为300000S/m，在太赫兹波段作用等同于金属，透射率低，反射率高，底层的金属态VO2和金属光栅构成了底层金属板，此外顶层SRR结构有各向异性的特性，此时当x极化(或y极化)THz波垂直入射时，大部分THz波被反射到超表面正面，反射波发生计划转化并产生一定的移相，通过改变SRR的开口大小保证了交叉极化波满足360°相位变化。
如图4所示，当VO2处于介质态时，当相位调制单元结构4(SRR结构)的开口方向均为相对于x轴+45°时，通过改变其开口大小选取了2个调制单元，相位梯度90°，交叉极化波相移变化覆盖180°，工作频段覆盖0.22THz，介质态的平均幅值约为0.75。如图5所示，当VO2处于金属态时，当相位调制单元结构4(SRR)的开口方向均为相对于x轴+45°时，通过改变其开口大小选取了2个调制单元，相位梯度90°，交叉极化波相移变化覆盖180°，工作频段覆盖0.14THz，金属态的平均幅值约为0.9。
同时，根据几何相位调制原理可知，45°倾斜的C形结构，在同一开口大小下旋转90°，相位变化可增加180°，同时保持幅值不变，因此该结构可以在两种状态下实现独立的360°相位全覆盖，因而可以进行不同的功能设计，并可以通过外部刺激改变VO2的工作状态实现动态功能切换。
综上所述，基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件是一种极具发展潜力和实用性的多功能太赫兹波段动态器件。
本发明利用微细加工工艺，将VO2嵌套入相位调制单元底层结构中，且在半导体衬底顶层采用SRR结构构成了相位调制单元，通过外部物理刺激控制相变VO2的电导率变化，使得VO2薄膜从绝缘态到金属态的相变，通过仿真计算说明了该调制单元的相位可覆盖360°且金属态在140GHz频段内极化转换效率～0.8，介质态在220GHz频段内极化转换效率～0.6，从而实现对超表面的形态重构。通过将具有不同相位值的单元结构按照相位计算公式排布成阵列的形式，当VO2为金属态时在低频段工作且在超表面正面实现了异常折射，当VO2为透射态时在高频段工作且在超表面背面实现了异常折射，因此实现了双频双空间的太赫兹波的波束偏转控制。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：包括底层可调光栅结构（1）、底层可调光栅结构（1）上设置的衬底（2）以及设置于衬底（2）上的相位调制阵列结构（3），所述相位调制阵列结构（3）由多个阵列排布的相位调制单元结构（4）组成，所述相位调制单元结构（4）为开口方向相对于X轴±45°的SRR结构;所述底层可调光栅结构（1）由交错排列的金属光栅（101）和VO2矩形栅（102）组成。
2.如权利要求1所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述金属光栅（101）和VO2矩形栅（102）的长为X/（2*K），宽为X，其中X是相位调制单元结构的周期大小，K为大于0的自然数。
3.如权利要求1所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述衬底（2）为石英、蓝宝石、二氧化硅或高阻硅。
4.如权利要求1所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述金属光栅（101）以及相位调制单元结构（4）中的金属材料为Au、Ag、Cu或Al 中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述相位调制阵列结构（3）为由多个调制单元结构（4）构成的M*N型阵列，其中M和N大小满足总阵列长和宽均大于一倍太赫兹波长。
6.权利要求1-5任一项所述的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定介质态和金属态下太赫兹波束调控器件分别所需的调制功能，并根据所述调制功能确定每个单元结构位置在两种状态下所需的相位；
步骤二：将VO2矩形栅和金属光栅交错排列，通过控制VO2的相变特性使得相位调制单元的底层可调光栅结构在光栅与金属背板之间切换，以实现透射模式和反射模式两种状态的切换；
步骤三：根据介质态下所需的工作频段以及每个相位调制单元结构（4）所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构（4）中SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现对应相位调制单元结构（4）在介质态下的相位调制；
步骤四：根据金属态下所需的工作频段以及每个相位调制单元结构（4）所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构（4）中SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现对应相位调制单元结构（4）在金属态下的相位调制；
步骤五：将每个相位调制单元结构（4）放置在所需的相位补偿位置，使得两种状态的相位调制效果具有独立性，得到在不同频段下的动态全空间波束调控器件。
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