CN117832877A - 太赫兹吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹吸收器，该太赫兹吸收器包括衬底，以及在所述衬底上逐层生长的第二介电层、第二VO2层、第一介电层和第一VO2层。第一VO2层为VO2多同心圆图案层。同心圆数量为至少3个。第二介电层嵌有金属十字架。第一介电层或第二介电层的材料为Topas。本发明通过二氧化钒电导率的调节实现了一种太赫兹宽、窄带吸收器的切换。
Description
技术领域
本发明属于超材料技术领域，特别涉及一种太赫兹吸收器。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，THz)是位于微波和红外之间的电磁波，频率范围为0.1THz到10THz，所对应的波长是3mm到30μm。太赫兹在微波和红外波段都有重叠，介于电子学和光子学之间，又表现出自身独特的物理特性，如非电离性、瞬时性、高穿透性、高空间分辨率以及高信息传输特性等，这些优良特性使太赫兹器件在生物医学、无线通信以及远距离探测，成像等领域有着广泛的应用前景。
目前，在红外和微波波段的应用相对成熟，而缺失了太赫兹波段，被称为太赫兹间隙。随着太赫兹技术的深入研究与发展，不断设计制备出很多太赫兹功能器件，如吸收器、滤波器、偏振转换器、超透镜等。
超材料是一种具有周期结构的人工亚波长复合材料，具有厚度薄、质量轻、吸收强、电磁特性可设计的优点。然而这些超材料吸收器一经制备，材料和结构尺寸固定，光学性能就很难发生改变，若有其它频率的需求就必须重新进行设计和加工，不仅造成了浪费，还在很大程度上限制了吸收器的发展和应用。
发明内容
本公开实施例之一，一种基于VO2的双功能太赫兹吸收器。该太赫兹吸收器包括衬底，以及在所述衬底上逐层生长的第二介电层、第二VO2层、第一介电层和第一VO2层。
所述第一VO2层为VO2多同心圆图案层。所述第二介电层嵌有金属十字。
本公开实施例的有意效果在于，实现了一种基于可调材料的太赫兹宽窄带可调吸收器，即通过二氧化钒电导率的调节实现两种功能，即宽带吸收器和窄带吸收器。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1根据本发明实施例之一的吸收器三维结构示意图。
图2根据本发明实施例之一的吸收器的侧视图。
图3根据本发明实施例之一的吸收器在x-y平面的顶层VO2层。
图4根据本发明实施例之一的吸收器嵌有Au十字架的Topas介电层在x-y平面的俯视图。
图5根据本发明实施例之一的吸收器结构实施的吸收光谱图。
图6根据本发明实施例之二的吸收器结构实施的吸收光谱图。
图7根据本发明实施例之三的吸收器结构实施的吸收光谱图。
图8根据本发明实施例之四的吸收器结构实施的吸收光谱图。
1——VO2图案层，2——上层Topas介电层，3——VO2薄膜层，4——嵌入Au十字架的下层Topas介电层，5——金属衬底。
具体实施方式
本公开为了解决现有超材料吸收器的问题，引入石墨烯(graphene)、二氧化钒(VO2)、钛酸锶(STO)以及光敏硅等可调材料，通过光控制、电控制或温度控制，提升太赫兹器件性能的灵活性。使得本公开所设计的可调太赫兹吸收器可以应用于光开关、光电检测、折射率传感器等领域。
根据一个或者多个实施例，基于3个VO2圆环和金属十字架，本公开设计了一种可调太赫兹吸收器，通过控制温度来改变VO2的电导率(200S/m到200000S/m)实现单宽带到三窄带的动态调节。根据
A(吸收)＝1-R(反射)-T(透射)，
为了得到最大的吸收，减少透射，在最底层加一层金属衬底。该衬底由金属薄膜组成，底部衬底Au的厚度大于趋肤深度，使得透射T＝0，此时A(吸收)＝1-R(反射)。
二氧化钒VO2的电导率的改变是由于其内在的晶体结构发生相变引起的。在金属态时，二氧化钒的结构是块体心立方结构，而在绝缘态时，结构变为单斜晶体结构。二氧化钒的电导率改变可以通过温度控制来实现。一般来说，当二氧化钒的温度升高到68℃以上，它会从绝缘态转变为金属态，从而导致电导率增加。反之，当温度下降到68℃以下，二氧化钒会从金属态转变为绝缘态，电导率减小。
在这里，根据现有技术，可以采用几种方法实现对二氧化钒的温度控制，包括，
电阻加热：通过在二氧化钒晶体周围放置电阻加热器，可以升高其温度，从而引起相变并改变电导率；
激光加热：使用激光来定向加热二氧化钒晶体的特定区域，以实现局部的电导率转变；
外部加热：将二氧化钒集成到具有温度控制功能的设备中，例如使用加热元件或PID控制的系统。
本公开的吸收器结构示意图如附图1和附图2所示。该结构有五层，结构从上往下，分别是顶层VO2图案层(1)、上层Topas层(2)、下层VO2薄膜层(3)、下层嵌有Au十字架的Topas介电层(4)、金属衬底(5)。在这里，十字嵌入的位置可以是所在Topas介电层(4)的上部，接近下层VO2薄膜层(3)的位置。Topas指环状烯烃共聚物，是一种有机物质，易于实验生长，它的介电常数很小，相对介电常数为2.35，但在太赫兹频率没有损失。
吸收器单元结构结尺寸很小，实际生产中的结构是在x和y方向无限延伸，整个结构在x和y方向是周期性的。整个结构在x方向和y方向上是周期的，周期p为38μm。顶层圆环VO2层的厚度t1为0.25μm，下层VO2层的厚度t2为0.8μm。介质层Topas有两层，上层的厚度h1为12.5-14.5μm，下层的厚度h2为5μm，相对介电常数为2.35。十字架的厚度t3为0.6μm，衬底Au的厚度t4为0.6μm。本公开利用金属衬底结构来阻挡透射，金属衬底金的厚度t4设置为0.6μm。通过相变材料VO2实现宽窄带的切换。
如附图3所示，顶层由不同半径、不同宽度的VO2圆环组成，其半径r1为12-14μm，r2为7-10μm，r3为4-6μm。每个圆环在径向上具有宽度，每个圆环对应的宽度w1为2-3μm，w2为1-2μm，w3为0.5-1μm。这里圆环的半径是指圆环的内径。
如附图4所示，十字的长度l为30-36μm，十字线的宽度w为2-4μm。
以下根据本公开的太赫兹吸收器结构原理，给出若干的变化设计，以充分说明本公开的结构设计构思。
实施例一。
在平面光沿负z轴入射下，三个VO2圆环的半径分别设置为r1＝12μm，r2＝7μm，r3＝5μm，对应的宽度分别为w1＝3μm，w2＝2μm，w3＝1μm。十字架的长度l为35μm，宽度w为2μm。顶层VO2层的厚度t1为0.25μm，下层VO2层的厚度t2为0.8μm，上层Topas的厚度h1为12.5μm，下层Topas的厚度h2为5μm，十字架的厚度t3为0.6μm。整个结构在x方向和y方向上是周期的，周期p为38μm。当VO2的电导率为2x105 S/m时，此时VO2为金属态，结果如附图5实线部分，实现在1.81-5.43THz超过90％的宽带吸收。调节VO2的电导率为200S/m时，此时VO2相变为绝缘态，此时吸收如附图5的虚线部分，实现在中心频率分别为2.47THz，6.62THz，7.45THz的窄带吸收，对应的吸收峰分别为95％、99％和85％。此时能够实现最小FWHM仅为0.08THz。
实施例二。
在平面光沿负z轴入射下，三个VO2圆环的半径分别设置为r1＝14μm，r2＝10μm，r3＝6μm，对应的宽度分别为w1＝2μm，w2＝1.5μm，w3＝0.5μm。十字架的长度l为30μm，宽度w为2μm。顶层VO2层的厚度t1为0.25μm，下层VO2层的厚度t2为0.8μm，上层Topas的厚度h1为14.5μm，下层Topas的厚度h2为5μm，十字架的厚度t3为0.6μm。整个结构在x方向和y方向上是周期的，周期p为38μm。当VO2的电导率为2x105 S/m时，此时VO2为金属态，结果如附图6实线部分，实现在1.64-4.96THz超过90％的宽带吸收。调节VO2的电导率为200S/m时，此时VO2相变为绝缘态，此时吸收如附图6的虚线部分，实现在中心频率分别为3.07THz，6.43THz，7.66THz的窄带吸收，对应的吸收峰分别为99.8％、94.4％和70.5％。此时能够实现最小FWHM仅为0.08THz。
实施例三。
在平面光沿负z轴入射下，三个VO2圆环的半径分别设置为r1＝13μm，r2＝8μm，r3＝6μm，对应的宽度分别为w1＝2.5μm，w2＝1.5μm，w3＝0.5μm。十字架的长度l为36μm，宽度w为4μm。顶层VO2层的厚度t1为0.25μm，下层VO2层的厚度t2为0.8μm，上层Topas的厚度h1为12.5μm，下层Topas的厚度h2为5μm，十字架的厚度t3为0.6μm。整个结构在x方向和y方向上是周期的，周期p为38μm。当VO2的电导率为2x105 S/m时，此时VO2为金属态，结果如附图6实线部分，实现在1.8-5.39THz超过90％的宽带吸收。调节VO2的电导率为200S/m时，此时VO2相变为绝缘态，此时吸收如附图7的虚线部分，实现在中心频率分别为2.21THz，6.66THz，7.23THz的窄带吸收，对应的吸收峰分别为96.4％、98.8％和84.8％。此时能够实现最小FWHM仅为0.13THz。
实施例四。
在平面光沿负z轴入射下，三个VO2圆环的半径分别设置为r1＝12μm，r2＝8μm，r3＝4μm，对应的宽度分别为w1＝2.5μm，w2＝1μm，w3＝0.5μm。十字架的长度l为35μm，宽度w为3μm。顶层VO2层的厚度t1为0.25μm，下层VO2层的厚度t2为0.8μm，上层Topas的厚度h1为13.5μm，下层Topas的厚度h2为5μm，十字架的厚度t3为0.6μm。整个结构在x方向和y方向上是周期的，周期p为38μm。当VO2的电导率为2x105 S/m时，此时VO2为金属态，结果如附图6实线部分，实现在1.87-5.07THz超过90％的宽带吸收。调节VO2的电导率为200S/m时，此时VO2相变为绝缘态，此时吸收如附图8的虚线部分，实现在中心频率分别为2.39THz，6.54THz，7.4THz的窄带吸收，对应的吸收峰分别为98％、95.1％和90.1％。此时能够实现最小FWHM仅为0.1THz。
综上所述，本公开的太赫兹吸收器结构特点包括：
1、该结构有五层，从上至下依次为VO2图案层、介电层(Topas)、VO2层、嵌有Au十字架的介电层以及金属镜面层。整个结构沿x，y方向周期性排列。
2、结构衬底为金属薄膜，厚度大于趋肤深度，至少大于0.6μm；3个VO2圆环的半径r1为12-14μm，r2为7-10μm，r3为4-6μm，对应的宽度w1为2-3μm，w2为1-2μm，w3为0.5-1μm；十字架金属的长度l为30-36μm，宽度w为2-4μm；上层介质Topas的厚度h1为12.5-14.5μm。
3.所用的金属衬底材料可为金、银、铜、铝的任意一种。
因此本公开有益效果包括：
1、利用同心圆的设计概念，基于3个VO2圆环和金属十字架设计一种太赫兹宽窄可调吸收器，结构较为简单，易于实际的加工。
2、通过温度控制VO2的电导率(200S/m到200000S/m)来对吸收效率进行自由调控，实现在1.81-5.43THz超过90％的宽带吸收到3个窄带的来回切换。3.本公开太赫兹吸收器的窄带的最小半高宽FWHM仅为0.08THz，可应用于折射率传感器领域。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (8)
1.一种太赫兹吸收器，其特征在于，该太赫兹吸收器包括衬底，以及
在所述衬底上逐层生长的第二介电层、第二VO2层、第一介电层和第一VO2层。
2.根据权利要求1所述的太赫兹吸收器，其特征在于，所述第一VO2层为VO2多同心圆图案层。
3.根据权利要求2所述的太赫兹吸收器，其特征在于，所述同心圆数量为至少3个。
4.根据权利要求1所述的太赫兹吸收器，其特征在于，所述第二介电层嵌有金属十字架。
5.根据权利要求1所述的太赫兹吸收器，其特征在于，所述第一介电层或第二介电层的材料为Topas。
6.根据权利要求1所述的太赫兹吸收器，其特征在于，所述衬底材料为金属。
7.根据权利要求1所述的太赫兹吸收器，其特征在于，所述第二VO2层或第一VO2层的VO2电导率范围为200S/m～200000S/m。
8.根据权利要求3所述的太赫兹吸收器，其特征在于，所述第一VO2层的3个同心圆半径分别为，r1为12-14μm，r2为7-10μm，r3为4-6μm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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