CN115202088B - 一种相位可调谐自旋太赫兹源器件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种相位可调谐自旋太赫兹源器件及其制备方法和应用。本发明的相位可调谐自旋太赫兹源器件的制备方法，包括如下步骤：S1：在第一衬底上制作自旋薄膜；S2：在第二衬底上制作超材料金属结构；S3：分别在自旋薄膜和超材料金属结构表面旋涂液晶取向剂并干燥，随后采用紫外光照射对自旋源上电极和超材料下电极进行预取向；S4：将自旋源上电极和超材料下电极相对放置并制盒，随后灌注液晶，制得相位可调谐自旋太赫兹源器件。本发明的制备方法工艺简单，稳定性高，易于集成并实现规模化生产，能够大大降低生产成本，在偏振调控、全息成像、波束偏转、波束扫描、光束聚焦等方面具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹科学技术领域，尤其是涉及一种相位可调谐自旋太赫兹源器件及其制备方法和应用。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz的电磁波，其频段介于微波段与红外波段之间。近年来，太赫兹科学技术迅速发展，由于太赫兹波具有能量低、带宽大、穿透性强等优势，在通信、安检、传感、生物医学等方面具有重要的应用潜力。在太赫兹波的产生过程中，对其波束相位的灵活调控具有重要的意义，尤其是在下一代片上集成系统中太赫兹发射源的应用中。
目前，太赫兹波的应用领域尚存在以下缺陷：1)液晶在太赫兹波段的高透明电极稀少，尽管石墨烯是可用的电极之一，但存在制备工艺复杂、价格昂贵、环境污染风险高等缺点；2)光电导天线及非线性晶体等太赫兹源成本高、不易于集成；3)太赫兹频段，缺乏高效化、小型化、发多功能一体化的太赫兹器件，尤其是太赫兹发射源。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相位可调谐自旋太赫兹源器件及其制备方法和应用，具有加工制造工艺简单、稳定性高、易于实现规模化生产、能够大大降低生产成本等优势，对集成化、小型化、多功能化的太赫兹发射源发展具有重要意义。
本发明提供一种相位可调谐自旋太赫兹源器件的制备方法，包括如下步骤：
S1：在第一衬底上制作自旋薄膜；
S2：在第二衬底上制作超材料金属结构；
S3：分别在自旋薄膜和超材料金属结构表面旋涂液晶取向剂并干燥，随后采用紫外光照射对自旋源上电极和超材料下电极进行预取向；
S4：将自旋源上电极和超材料下电极相对放置并制盒，随后灌注液晶，制得相位可调谐自旋太赫兹源器件。
本发明将自旋源、液晶、超材料相集成，自旋源中的薄膜材料和超材料同时可以作为液晶的双侧电极，通过双侧电极独立控制加电，改变液晶的指向，进而实现相位调控，引入一定的相位差；所涉及的超材料器件具有极高的设计灵活性，加工制造工艺简单，稳定性高，易于实现规模化生产，能够大大降低生产成本。此外，相位差的引入对于偏振调控、全息成像、波束偏转、光束聚焦等具有至关重要的意义，实现对自旋太赫兹源进行主动相位调控具有重要的应用价值。
基于超快自旋动力学，通过铁磁金属(FM)/非铁磁金属(NM)异质结构，发现了一种宽带的自旋太赫兹辐射源；当飞秒激光脉冲照射到FM/NM异质结构上时，根据逆自旋霍尔效应，激光注入到FM薄膜中产生流向NM薄膜的瞬时自旋流，产生横向面内电荷流，从而辐射出宽带太赫兹脉冲。其线偏振方向由外加磁场控制，且效率可与基于非线性晶体的太赫兹发射器相媲美。
液晶是发展主动可调谐器件的重要材料之一，具有良好的介电、光学各向异性和电光、磁光调制特性，液晶在太赫兹波段的性质主要取决于液晶分子的扭转和振动模式；如图1所示，可以通过在自旋源上电极1与超材料下电极3之间施加外场来调节液晶分子的指向，进而对电磁波的强度、相位、偏振等性质进行有效地调控。
在适当处理下，液晶分子的导向呈现均一的排布状态，即向列相液晶2。向列相液晶2分子呈棒状结构，从光学性质上可看成单轴晶体，在平行和垂直于光轴方向上存在两个不同的介电常数。由于介电各向异性和双折射效应，当线偏振光在向列相液晶中传输时，寻常光和非寻常光的相位差可以表示为：
φ＝2πhΔn/λ＝2πh(ne-no)/λ
其中，h为液晶层厚度，λ为入射波长，Δn为液晶双折射，ne为平行光轴方向液晶折射率，no为垂直光轴方向液晶折射率。
超材料，又称人工特异性材料，是由一种按照一定规律进行排列分布的人工电磁媒质。利用其所设计亚波长结构的电磁响应可以实现自然界中不存在的电磁性能。这种人工加工制造的复合材料凭借其材料的本征性质、单元排列方式及其亚波长结构，能够通过人工设计对材料本身的电磁属性参数进行调节，从而实现天然材料无法实现的电磁特性。超材料结构设计灵活性高，对电磁波的偏振、相位、幅度等方面调控具有独特的优势。
基于液晶实现主动相位控制，进而实现波束控制，主要基于电控可编程的光栅原理。通过独立控制的超材料单元可以实现波束衍射，衍射角由光栅常数的大小决定，服从光栅方程。当外加独立控制电压分布如图2所示周期重复分布，每个周期覆盖M个电极，单个电极宽度为d，且在每个周期内都能实现0-360°的相位调制，则该周期的长度Md可以等效为光栅常数。
类似于光栅方程，对于正入射自旋太赫兹液晶可调相控源，其出射波束的偏转角度θ为
当波长和电极宽度不变时，只需通过改变加电电压控制每个周期的电极数M，就可以控制波束的偏转角度。
基于自旋电子的宽带太赫兹辐射源具有高效、易于集成化、易制备、价格低廉等优点，其太赫兹波的偏振方向可以由外加磁场控制，但其偏振态为线偏振。通过液晶进行波束偏转扫描具有连续可调性、可集成化、工艺简单成熟、成本低等优点。通过可独立控制的超材料单元和自旋源薄膜作为液晶的双侧电极，加电调控液晶指向，改变双折射率，进而改变相位差，实现波束衍射、偏振调控，进而控制波束方向并实现扫描控制。
本发明对器件的制备工艺不作严格限制，可以采用化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、分子束外延等工艺。
具体地，上述步骤S1可以包括：将石英衬底清洗并烘干后，通过磁控溅射或分子束外延等薄膜沉积设备在石英衬底上生长自旋薄膜材料，在石英衬底上形成自旋薄膜；自旋薄膜材料选自能够进行自旋太赫兹辐射的异质结构材料体系，例如金属材料、拓扑材料、二维材料等材料组成的可以进行自旋太赫兹发射的异质结材料体系。
上述步骤S2可以包括：将石英衬底清洗并烘干后，旋涂光刻胶，通过掩模版在光刻胶上进行曝光，然后进行显影、后烘，再通过电子束蒸发进行金属薄膜沉积，在有机溶液中去除剩余光刻胶，在石英衬底上形成超材料金属结构；其中，超材料金属结构可以选自线形、十字形、渔网形、矩形环和开口谐振环结构中的一种或多种组合。
上述步骤S4中，采用麦拉膜或空间粉作为液晶盒上下两层的间隔支撑；液晶初始指向可以灵活设计；液晶双折射特性可以根据其种类进行调整。
本发明还提供一种相位可调谐自旋太赫兹源器件，按照上述制备方法制得。
本发明还提供上述相位可调谐自旋太赫兹源器件的应用方法，通过对自旋源上电极和超材料下电极独立控制加电或通过施加外磁场改变其磁场强度，改变液晶的指向进而对自旋太赫兹源实现主动相位调控。
本发明提供了一种集成液晶和超材料的相位可调谐自旋太赫兹源，通过将自旋太赫兹源、液晶、超材料相集成，自旋源中的铁磁材料和超材料分别作为液晶的双侧电极，基于液晶的各向异性，加电改变液晶的指向。通过设计超材料实现独立加电控制并改变相位，对自旋太赫兹源发射的太赫兹波实现主动相位调控，进而实现波束偏转扫描。
本发明的器件具有高自由度的可调谐性；制备工艺简单，稳定性高；小型化，易于集成；易于实现规模化生产，能够大大降低生产成本。在航空航天、通信、光信息处理与存储、生物医学和军事等诸多领域有巨大的发展前景，为下一代片上集成的太赫兹系统中的多功能化太赫兹源提供了广阔的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为加电控制前后器件中液晶分子的指向显示图；其中，a：加电前指向，b：加电后指向；
图2为外加独立控制电压分布图；
图3为实施例1器件的应用示意图；
图4为实施例2器件的制造过程图；
图5是自旋太赫兹源的偏振操纵示意图；其中，a：自旋太赫兹源的配置图；b、c、d：器件旋转角β从45°、0°到-45°的太赫兹时域信号，分别对应于LCP、LP和RCP；
图6为基于自旋太赫兹源的太赫兹时域光谱图：其中，a：THz-TDS系统的光路示意图；b：自旋太赫兹源的发射；c、d：对通过W/CoFeB/Pt三层异质结构发射的太赫兹脉冲进行傅里叶变换计算得到的时域信号和频域频谱；
图7为宽带相位工程PCE的性能；其中，a：在u和v方向上从±45°、±30°、±15°到0°的幅度的傅里叶变换光谱；b：不同角度对应的相位差；c：在不同旋转角度具有不同椭圆率的七太赫兹波；d：不同旋转角度下0.6-0.99THz的PCE的庞加莱球解释。
附图标记说明：
1：自旋源上电极；2：超材料下电极；3：向列相液晶；
11、21：飞秒激光；12、22：自旋太赫兹源；13、23：太赫兹脉冲；14、24：液晶；15、25：超材料；26：分光镜；27：透镜；28：抛物柱面镜；29：光电二极管；210：Wollaston棱镜；211：λ/4波片；212：ZnTe晶体；213：第一偏光片；214：第二偏光片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图3所示，本实施例的相位可调谐自旋太赫兹源器件的制备方法，步骤如下：
1.进行自旋薄膜的制备：
清洗石英衬底并烘干，通过磁控溅射或分子束外延等薄膜沉积设备生长所需薄膜材料；其中，薄膜材料可以为金属材料、拓扑材料、二维材料等材料组成的可以进行自旋太赫兹发射的异质结材料体系。
2.将设计、优化后的太赫兹超材料结构进行加工：
清洗石英衬底并烘干；进行光刻胶的旋涂；通过掩模版在光刻机上进行曝光，然后进行显影、后烘；通过电子束蒸发进行金属薄膜沉积；在有机溶液中去除剩余光刻胶，得到超材料金属结构；其中，超材料15的结构可为线形、十字形、渔网形、矩形环、开口谐振环等结构中的一种或多种的组合。
3.液晶取向处理：
分别在上层石英衬底上的自旋薄膜和下层石英衬底上的超材料结构表面旋涂一层液晶取向剂并烘干处理，之后对表面采用紫外光照射对自旋太赫兹源12和超材料15进行预取向。
4.做盒并灌注液晶：
将自旋薄膜和超材料结构相对放置，中间采用麦拉膜或空间粉作为上下电极间的支撑，灌注液晶并封盒，即制得相位可调谐自旋太赫兹源器件；其中，液晶初始指向可以灵活设计，液晶双折射特性可以根据其种类进行调整。
如图3所示，本实施例的相位可调谐自旋太赫兹源器件实现功能如下：
飞秒激光11入射到自旋太赫兹源12，产生的太赫兹脉冲13通过液晶传输,通过设计超材料实现不同单元间独立加电，改变液晶14的指向，使各单元的相位得到主动调控，整体阵列达到移相效果，实现出射太赫兹脉冲的波束偏转和扫描控制。
本实施例通过将自旋源、液晶、超材料相集成，自旋源中的薄膜材料和超材料同时可以作为液晶的双侧电极，通过双侧电极独立控制加电，改变液晶的指向，进而实现相位调控，引入一定的相位差，实现对出射太赫兹波进行波束控制和扫描，实现主动相控的自旋太赫兹阵列源。自旋太赫兹源12作为太赫兹发射源的同时可以作为液晶的上电极；超材料具有谐振特性的同时，作为液晶的下电极可以实现独立控制加电，进而控制出射波的衍射，实现波束偏转和扫描控制。
实施例2
结合图4所示，本实施例的相位可调谐自旋太赫兹源器件的制备方法，步骤如下：
1.进行自旋薄膜的制备：
使用丙酮和异丙醇清洁衬底(500μm)以去除污染，随后烘干。在室温下，采用DC和RF溅射系统(TEC-SPU-800)沉积W(2nm)/CoFeB(2nm)/Pt(2nm)纳米薄膜；其中，在2mbar的Ar压力下，W的沉积速率为1.4nm/min，Co20Fe60B20的沉积速率为0.7nm/min，Pt的沉积速率为3.8nm/min。
2.将设计、优化后的太赫兹超材料结构进行加工：
清洗衬底并烘干，将光刻牺牲层(LOR5B，MicroChem)和正性光致抗蚀剂层(AZ5214E，ClariantGmbH)分别旋涂到清洗过的衬底上，将设计的图案以15秒的紫外线曝光时间转移到基板上。显影、后烘后，应用电子束蒸发工艺沉积20/200nm的Cr/Au并剥离，超材料金属结构的总超表面积为7.2mm×7.2mm，包含60×60个单独的晶胞。
3.液晶取向处理：
在自旋薄膜和超材料结构表面旋涂SD1(大日本油墨化学公司)对液晶分子进行取向，并在100℃下烘烤10分钟以去除溶剂。
4.做盒并灌注液晶：
将自旋薄膜和超材料结构相对放置，中间采用麦拉膜或空间粉作为上下电极间的支撑，灌注液晶并封盒，即制得相位可调谐自旋太赫兹源器件。
本实施例自旋太赫兹源的配置如图5a所示，飞秒激光21沿Z轴穿过自旋太赫兹源22并辐射太赫兹脉冲23，当太赫兹脉冲23穿过液晶24和超材料25时，由于液晶24的双折射和共振特性而发生相位累积，太赫兹脉冲23的偏振态和手性可以通过器件旋转角度β调制器件的P-B相位来控制。如图5b至图5d所示，本实施例获得了基于y轴的β从45°、0°到-45°的太赫兹时域信号，可以清楚地观察到yz平面和xz平面投影中的信号之间的相位差；在xy平面的Lissajous投影图像中，可以看到三种信号具有不同的极化和旋转方向，当通过调节外场条件改变液晶24的偏转角θ时，可以灵活地控制现有的偏振态。
本实施例使用的太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统由放大的钛蓝宝石激光源驱动，其中心波长为800nm，脉冲持续时间为35fs，重复频率为80MHz。如图6a所示，飞秒激光21分为两束，一束用于自旋太赫兹源22，另一束经过分光镜26、透镜27、抛物柱面镜28，第一偏光片213安装在会聚位置用于±45°调整，第二偏光片214用于保持与导向器相同的方向，太赫兹信号通过电光采样方法进行检测，该方法包括2mm厚的ZnTe晶体212、λ/4波片211、Wollaston棱镜210(WP)和一对光电二极管29。自旋太赫兹源22的发射机制如图6b所示；检测到的太赫兹时域信号和傅里叶变换得到的频谱如图6c、图6d所示，THz-TDS系统测得的谱宽可以达到0.1-2.8T。
图7a、图7b说明了七种偏振态的太赫兹光谱及其相应的相位差，旋转角β从±45°、±30°、±15°变为0°。如图7c所示，从0.60到0.99THz，椭圆率在-45°处保持低于-0.9，在0°处几乎等于0，在45°处高于0.9，意味着CP、EP和LP之间的转换具有在这种宽带中可以实现不同的手性。如图7d所示，变换轨迹在0.60到0.99THz之间以不同的旋转角β映射在庞加莱球的表面上，当β为±45°时，轨迹位于球体的北极和南极附近，当β接近0°时，轨迹朝向赤道方向；标出近似LCP、LP、RCP的三个点，结果证明本实施例的器件可以从具有不同手性的CP、EP和LP转换。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种相位可调谐自旋太赫兹源器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在第一衬底上制作自旋薄膜，自旋薄膜材料选自能够进行自旋太赫兹发射的异质结构材料体系；
S2：在第二衬底上制作超材料金属结构，超材料金属结构选自线形、十字形、渔网形、矩形环和开口谐振环结构中的一种或多种组合；
S3：分别在自旋薄膜和超材料金属结构表面旋涂液晶取向剂并干燥，随后采用紫外光照射对自旋源上电极和超材料下电极进行预取向；
S4：将自旋源上电极和超材料下电极相对放置并制盒，随后灌注液晶，液晶双折射特性根据其种类进行调整，制得相位可调谐自旋太赫兹源器件；
其中，自旋薄膜材料选自铁磁材料/非铁磁材料异质结，其中包含金属材料、拓扑材料、二维材料中的一种或几种；
飞秒激光沿 Z 轴穿过自旋太赫兹源并辐射太赫兹脉冲，当太赫兹脉冲穿过液晶和超材料时，由于液晶的双折射和超材料的共振特性而发生相位累积，太赫兹脉冲的偏振态和手性通过器件旋转角度β调制器件的P-B相位来控制，改变器件旋转角度β使太赫兹偏振态在不同手性 CP、EP 和LP 之间实现宽带转换。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：将石英衬底清洗并烘干后，通过磁控溅射或分子束外延薄膜沉积设备在石英衬底上生长自旋薄膜材料，在石英衬底上形成自旋薄膜。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：将石英衬底清洗并烘干后，旋涂光刻胶，通过掩模版对光刻胶进行图案化曝光，然后进行显影、后烘，再通过电子束蒸发进行金属薄膜沉积，在有机溶液中去除剩余光刻胶，在石英衬底上形成超材料金属结构。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，采用麦拉膜或空间粉作为液晶盒上下两层的间隔支撑。
5.一种相位可调谐自旋太赫兹源器件，其特征在于，按照权利要求1-4任一所述的制备方法制得。
6.权利要求5所述的相位可调谐自旋太赫兹源器件的应用方法，其特征在于，通过对自旋源上电极和超材料下电极独立控制加电或通过施加外磁场改变其磁场强度，改变液晶的指向进而对自旋太赫兹源实现主动相位调控。
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