CN115548691B - 一种基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体 - Google Patents

一种基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体，属于超材料器件技术领域，所述的吸波体顶层为狄拉克半金属层，二氧化硅层为中间层，二氧化钒层为底层，且各层彼此紧密无缝贴合，形成一个结构体，狄拉克半金属BDS顶层由三根狄拉克半金属BDS纳米棒组成。本发明详细讨论了吸波体吸波特性随BDS层、VO2层和中间介质层厚度的变化规律。本发明为多带双调谐滤波器、吸波体的设计提供了理论依据。

Description

一种基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体
技术领域
本发明属于超材料器件技术领域，更具体的说涉及基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体。
背景技术
超材料(Metamaterial, MM)是一种具有非凡性能的人工电磁材料，由于其具有自然材料所不具备的对电磁波特殊的调控能力，因而得到了研究者的广泛关注。其中，超材料吸波体(Metamaterial absorber, MA)是人们专门设计和制造的亚波长周期材料，与传统的吸波体相比，超材料吸波体具有吸收能力强、厚度薄、质量轻等诸多优势，并已被证实在电磁隐形、光探测、光传感和太阳能电池等诸多领域有重要的应用价值。
然而在实际应用中，超材料吸波体的动态可调性也是非常重要的，因为它可以在不改变器件结构的条件下实现对吸波体光学响应的动态控制并扩大其应用范围。由于在实现吸波体动态可调性方面存在困难，传统的金属材料已逐渐被新型二维(2D)材料所取代。
狄拉克半金属(bulk Dirac semimetal BDS)，也被称为“3D石墨烯”的量子。它具有迁移率高、超快瞬态时间和低能光子检测等显著特性。与此同时，BDS还结合了电介质和金属的特性：当频率高于费米能级时它表现为电介质，当频率低于费米能级时表现为金属材料。与单原子层石墨烯相比，BDS对环境缺陷或过度导电体态更稳健。最重要的是，BDS的表面电导率可以通过改变费米能量来动态控制，因此，基于BDS来实现可调谐的吸波体已经得到了广泛的研究。
除BDS之外，二氧化钒(vanadium dioxide VO2)作为一种新型相变材料，具有调制深度大、响应速度快等特点。它会在电、热和光刺激下经历绝缘体到金属的转变。VO2的绝缘体-金属相变是通过改变温度来产生的，临界温度为340 K。在这个转变过程中，它的电导率可以改变四到五个数量级。
到目前为止，VO2已被集成到太赫兹超材料中，并实现了多种有源功能，例如传输控制、相位调制、可调谐吸收器和可切换多功能器件等。由于BDS和VO2独特的优良物理特性，利用BDS和VO2来设计双调谐的超材料吸波体在近年来已成为一个新的研究热点。然而，对于基于BDS和VO2的三频段双调谐吸波体的研究，公开文献却鲜有报道。
发明内容
本文提出了一种基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体。首先，通过调整BDS的费米能量和VO2的电导率动态控制了吸波体的谐振频率和吸收率。其次，通过等效电路模型(ECM)从理论上分析了吸波体的物理性能。最后，讨论了BDS层、VO2层和中间介质层厚度对吸波体性能的影响。为多带双调谐滤波器、吸波体的设计提供了理论依据。
为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的吸波体由狄拉克半金属层、二氧化硅层、二氧化钒层组成，其中、顶层为狄拉克半金属层，二氧化硅层为中间层，二氧化钒层为底层，且各层彼此紧密无缝贴合，形成一个结构体；
进一步地，所述的二氧化硅层厚度为，二氧化钒VO2的厚度为。
进一步地，狄拉克半金属BDS顶层由三根狄拉克半金属BDS纳米棒组成，分别为棒 A、棒B和棒C，棒A、棒B和棒C的长度分别为、和；宽度均 为，棒A、棒B和棒C三者之间的间隔均为，模型周期为；
进一步地，顶层狄拉克半金属层的厚度为，中间层二氧化硅层的厚度 为，底层二氧化钒层的厚度为。
进一步地，所述的三频段双调谐吸波体的设计过程如下：在随机相位近似理论中使用Kubo公式，在长波极限条件下，BDS的动态电导率表示为
(1)
(2)
其中，是费米分布函数，是费米能量，是费米动量，是费米速率，，是简并因子，
为截止能量，之后狄拉克光谱将不再线 性。
进一步地，为了进一步计算，在方程中考虑Drude阻尼，即在公式(1)和(2)中使用 替换，其中是由载流子迁移率决定的散射率，因 此，BDS的介电常数可以写为
(3)
其中，是真空介电常数，是有效的背景介电常数，当时，，表示 AlCuFe准晶体；
在太赫兹频段，VO2的相对介电常数可以使用Drude模型来表示
(4)
其中，无限频率下的介电常数，阻尼频率，等离子体频率，，在接下来的计算中，我们假设当VO2 处于金属态和 绝缘态时，其电导率分别为和。
进一步地，BDS费米能量选定在0.11 eV--0.15 eV之间，可以动态调节多频带 吸收峰处的谐振频率。
本发明有益效果
1.本发明采用了狄拉克半金属BDS超材料，与普通材料相比，狄拉克半金属不仅制造相对容易，而且在太赫兹波段具有更低的固有损耗和更稳定的物理特性。与单原子层石墨烯相比，BDS对环境缺陷或过度导电体态更稳健。
2.本发明采用了狄拉克半金属BDS矩形纳米棒谐振结构，利用了纳米棒之间的明模--明模耦合实现了多频带的完美吸波效应，吸收率超过98%。
3.本发明将二氧化钒VO2设置为模型底层，可以利用VO2本身的温控特性和改变VO2层厚度的方式动态调节多频带吸收峰处的吸收率大小。
4.本发明二氧化硅SiO2介质层的厚度是可调的，可以实现双频带吸收效应和三频带吸收效应之间的动态转换。
5.本发明由于采用为全介质材料，因而结构简便，易于加工。
附图说明
图1为三频段双调谐吸波体结构图：(a)三维结构图；(b)二维顶视图；(c)二
维侧视图；
图2.为三频段吸波体等效电路模型；
图3为三频段吸波体的吸收率、反射率和透射率曲线图；
图4为三频段吸波体的吸收率数值结果与等效电路模型比较图；
图5为三频段吸波体透射率曲线随(c)棒A变化规律图；
图6为三频段吸波体透射率曲线随(d)棒B变化规律图；
图7为三频段吸波体透射率曲线随((e)棒C长度的变化规律图；
图8为X-Y平面上三频段吸波体在(a) peak I、(b) peak II和(c) peak III处的电
场强度分布；Y-Z平面上三频段吸波体在(d) peak I、(e) peak II和(f) peakIII处的电场强度分布；
图9为二氧化钒电导率为时，三频段吸波体吸收率随费米能量
的变化规律；
图10为当狄拉克半金属费米能量为0.13eV时，三频段吸波体的(a)透射率变化规律；
图11为当狄拉克半金属费米能量为0.13eV时，三频段吸波体的(b)反射率变化规律；
图12当狄拉克半金属费米能量为0.13eV时，三频段吸波体的(c)吸收率随二氧化钒电导率的变化规律；
图13.为三频段吸波体吸收率曲线随BDS纳米棒厚度的变化规律，
图14为三频段吸波体吸收率曲线随SiO2层厚度变化规律
图15为三频段吸波体吸收率曲线随VO2层厚度的变化规律。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明，对本发明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。
所述的吸波体由狄拉克半金属层、二氧化硅层、二氧化钒层组成，其中、顶层为狄拉克半金属层，二氧化硅层为中间层，二氧化钒层为底层，且各层彼此紧密无缝贴合，形成一个结构体；
三频段双调谐吸波体结构模型如图1(a)所示，狄拉克半金属BDS顶层由三根狄拉 克半金属BDS纳米棒组成，其介电常数为3.9，分别为棒A、棒B和棒C，棒A、棒B和棒C的长度分 别为、和；宽度均为，棒A、棒B和棒C三者 之间的间隔均为，模型周期为。顶层狄拉克半金属层的厚度为，中间层二氧化硅层的厚度为，底层二氧化钒层的厚度为。
所述的三频段双调谐吸波体的设计过程如下：在随机相位近似理论中使用Kubo公式，在长波极限条件下，BDS的动态电导率表示为
(1)
(2)
其中，是费米分布函数，是费米能量，是费米动量，是费米速率，，是简并因子，
为截止能量，之后狄拉克光谱将 不再线性。
进一步地，为了进一步计算，在方程中考虑Drude阻尼，即在公式(1)和(2)中使用 替换，其中是由载流子迁移率决定的散射 率，因此，BDS的介电常数可以写为
(3)
其中，是真空介电常数，是有效的背景介电常数，当时，，表示 AlCuFe准晶体；
在太赫兹频段，VO2的相对介电常数可以使用Drude模型来表示
(4)
其中，无限频率下的介电常数，阻尼频率，等离子体频率，，在接下来的计算中，我们假设当VO2 处于金属态和 绝缘态时，其电导率分别为和。
BDS费米能量选定在0.11 eV--0.15 eV之间，可以动态调节多频带吸收峰处的 谐振频率。
数值模拟通过Lumerical FDTD Solutions完成。图1(b)所示的二维结构在X和Y方 向上具有周期边界条件，在Z方向上具有完全匹配层(PML)吸收边界条件。入射光沿-Z方向 传播，偏振方向沿X方向。吸波体的吸收率可以通过以下公式计算：，其中和分别表示反射率和透射率。
等效电路模型
根据传输线理论，三频段吸波体的等效电路模型(ECM)如图2所示。当VO2底层处于 纯金属态时，它可以阻止所有的透射波。因此，在ECM模型中，它可以等效为一个短路器件。 同时，在图2中，顶层的三根BDS纳米棒可以用三个并联的串联电路表示。其中，每一个 串联电路表示一根BDS纳米棒。
在图2中，三频段吸波体的输入阻抗可以表示为：
(5)
其中 , ,表示每一个 串联电路的等效阻抗. 表示短路传输线的特征阻抗。表示自 由空间波阻抗，和分别表示SiO2层的相对介电常数和厚度，表示自由空间波数。
因此，三频段吸波体的反射系数可以表示为：
(6)
最终，三频段吸波体的等效阻抗可以表示为:
(7)
当底部VO2层处于纯金属态时，透射系数。 根据阻抗匹配理论，如果三频段 吸收体的等效阻抗与自由空间的固有阻抗匹配，即，则吸波体反射率将等于零，而吸 收率将接近于1。
实验验证
图3-图7显示了当狄拉克费米能量为0.13 eV、VO2处于纯金属态，即电导率为时，三频段双调谐吸波体的透射、反射和吸收光谱曲线。如图所示，三频段吸 波体吸收率曲线在3.4121 THz, 4.7688 THz 和 5.4724 THz处产生了三个明显的吸收峰 peak I、peak II和peak III。其中，peak 1处的吸收率值为99.95%，peak 2处的吸收率值为 98.41%，peak 3处的吸收率值为97.57%。三个吸收峰的平均吸收率为98.6%。同时，由于VO2 处于纯金属态且其厚度大于太赫兹区域入射光的趋肤深度。因此，图3中模型透射率的值接 近于0，吸收率和反射率之间的关系为：。
根据等效电路模型(ECM)，三频段吸波体的等效阻抗如图4所示。对比图3和图4可 以看出，在peak I 和peak II处，三频段吸波体的等效阻抗与自由空间的固有阻抗相匹配， 即。因此，在peak I 和peak II处吸波体产生了两个明显的吸收峰，吸收率分别为 99.95%和98.41%。而在peak III处，三频段吸波体的等效阻抗接近于1。因此，peak III处的 吸收率为97.57%，略小于peak I和peak II处的吸收率。
图5--图7给出了三频段吸波体随纳米棒A、B、C长度的变化规律。如图5所示，当棒A的长度增加时，peak III的谐振频率随之减小，peak I和peak II的谐振频率没有改变。类似的，在图6和图7中，当棒B的长度增加时，peak II的谐振频率随之减小，peak I和peakIII的谐振频率没有改变；而当棒C的长度增加时，peak I的谐振频率随之减小，peak II和peak III的谐振频率没有改变。因此，在三频段效应中，棒A对peak III的贡献较大；棒B对peak II的贡献较大，而棒C对peak I的贡献较大。
为了进一步分析三频段吸波体的物理原理，图8分析了X-Y和Y-Z平面中三频段吸波体在peak I、peak II和peak III处的电场强度分布。如图8(a)--(c)所示，在peak I处，棒C被入射波激发而产生偶极子。因此，这时电磁能在棒C处产生了消散，进而产生了peakI。同理，棒B处被入射光激发而产生的偶极子产生了peak II，棒A处被入射光激发而产生的偶极子产生了peak III。此外，在Y-Z平面上，吸波体的电场能量也是主要集中在BDS纳米棒边缘和末端以及SiO2内部，VO2由于呈现纯金属态，其内部电场强度接近于零。
为了验证三频段吸波体峰值频率的可调性，图9描述了当VO2电导率时，三频段吸波体吸收率随狄拉克半金属费米能量的变化规律。当费米 能量从增加到时，模型三个吸收峰的谐振频率逐渐增大，发生蓝 移。同时，随着费米能量的增加，在peak I处，吸收率基本保持不变。在peak II 处，吸收率 随着费米能量的增加而缓慢增加。而在peak III处，吸收率随着费米能量的增加而缓慢减 小。因此，可以通过改变BDS的费米能量来调谐三频段吸波体吸收峰处的谐振频率。
基于VO2的绝缘体-金属过渡特性，所提出的三频段吸收体的反射率、透射率和吸收率可以通过改变VO2的电导率来动态调谐。图10-图12验证了当BDS费米能量为0.13 eV时，三频段吸波体透射率、反射率和吸收率随VO2电导率的变化规律。当VO2电导率最小时，吸波体透射率和反射率最大，吸收率最小。当VO2电导率逐渐增加时，吸波体透射率和反射率逐渐降低，吸收率逐渐增加。当VO2电导率最大时，吸波体在3.4121 THz、4.7688 THz和5.4724THz处出现三个吸收峰，吸收率分别为99.95%、98.41%和97.57%。因此，所提出的三频段吸波体可以通过调整狄拉克半金属费米能量和二氧化钒电导率来动态调整吸收峰的吸收率和谐振频率。
图13-图15讨论BDS纳米棒厚度，SiO2层厚度和VO2层厚度对吸波体吸波效应 的影响。图13-图15，BDS费米的能量，VO2的电导率，SiO2的介电 常数依然等于3.9。在图13中，当BDS纳米棒厚度逐渐增大时，吸波体的三个吸收峰的谐振 频率逐渐增加，发生蓝移，而吸收率大小基本保持不变。
在图14中，由于BDS纳米棒、SiO2层和VO2层构成了等效的F--P谐振器。在这种情况 下，太赫兹电场是入射电场和VO2层反射电场的叠加。SiO2层的厚度在控制BDS纳米棒与太赫 兹电场之间的相互作用中起着至关重要的作用。因此，当时，虽然吸波体呈现出 来三带的吸波效应，但吸收率较小，吸波效果不佳。而当时，吸波体只出现了双带 的吸波效应。只有当SiO2层厚度时，三带吸波体吸收峰处的吸收率才达到最大 值。
在图15中，当VO2厚度时，由于VO2的厚度大于太赫兹范围内入射光的 趋肤深度，模型传输通道关闭，吸收体的透射系数十分接近于零，系统的吸收率恒等于。因此，吸收率曲线保持不变，系统出现三个较大的吸收峰。而当VO2层厚度减小 时，吸收体的透射率逐渐增大，故使得系统的吸收率逐渐减小。当VO2厚度时，系 统的吸收率降到最小并保持不变。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体，其特征在于：所述的吸波体由狄拉克半金属层、二氧化硅层、二氧化钒层组成，其中、顶层为狄拉克半金属层，二氧化硅层为中间层，二氧化钒层为底层，且各层彼此紧密无缝贴合，形成一个结构体；
所述的二氧化硅层厚度h2为13um～23um，二氧化钒VO2的厚度h3为0.1um～0.6um；
狄拉克半金属BDS顶层由三根狄拉克半金属BDS纳米棒组成，分别为棒A、棒B和棒C，棒A、棒B和棒C的长度分别为L1＝12.24μm、L2＝14.24μm和L3＝26.24μm；宽度均为w＝2.88μm，棒A、棒B和棒C三者之间的间隔均为d＝2μm，模型周期为Px＝Py＝30μm；
顶层狄拉克半金属层的厚度h1为0.6μm，中间层二氧化硅层的厚度h2为18μm，底层二氧化钒层的厚度h3为0.8μm。
2.根据权利要求1所述的基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体，其特征在于：所述的三频段双调谐吸波体的设计过程如下：在随机相位近似理论中使用Kubo公式，在长波极限条件下，BDS的动态电导率表示为
其中G(E)＝n(-E)-n(E)，n(E)是费米分布函数，EF是费米能量，kF＝EF/hυF是费米动量，vF是费米速率，ε＝E/EF，g是简并因子，
Ω＝hω/EF，εc＝Ec/EF，Ec为截止能量，之后狄拉克光谱将不再线性。
3.根据权利要求1所述的基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体，其特征在于：
为了进一步计算，在方程中考虑Drude阻尼，即在公式(1)和(2)中使用替换Ω→Ω+jhτ-1/EF，其中hτ-1＝υF/(kFμ)是由载流子迁移率μ决定的散射率，因此，BDS的介电常数写为
其中，ε0是真空介电常数，εb是有效的背景介电常数，当g＝40时，εb＝1，表示A1CuFe准晶体；
在太赫兹频段，VO2的相对介电常数使用Drude模型来表示
其中，无限频率下的介电常数ε∞＝12，阻尼频率ωd＝5.75×1013s-1，等离子体频率ωp＝1.4×1015s-1，σ0＝3×1015s/m，在接下来的计算中，我们假设当VO2处于金属态和绝缘态时，其电导率σ分别为100000S/m和10S/m。
4.根据权利要求3所述的基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频段双调谐吸波体其特征在于：BDS费米能量EF选定在0.11eV--0.15eV之间，动态调节多频带吸收峰处的谐振频率。
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