專利名稱：一種開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超材料器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器及其控制方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(Terahertz，THz)波是頻率介于0.1 IOTHz (波長為3000 30 μ m)的電磁波，位于電子學(xué)范疇處于電子學(xué)向光子學(xué)過渡的特殊位置，具有很多優(yōu)越的特性，在國防軍事，衛(wèi)星通信，醫(yī)療診斷等方面顯示出了廣闊的應(yīng)用潛力。金屬絕緣相變(Metal -1nsulator Transition, MIT)材料具有在外場激勵條件下，材料電阻率、晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的特性。在光開關(guān)、光存儲等領(lǐng)域具有廣泛的研究與應(yīng)用。超材料(Metamaterials, MMs)是指一類人為的復(fù)合結(jié)構(gòu),具有天然材料所不具備的電磁特性。通過有目的設(shè)置單元器件結(jié)構(gòu)，MMs在特定頻率處獲得奇異的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。2008年Landy等人利用超材料實現(xiàn)了微波領(lǐng)域的超材料完美吸收器(MaterialPerfect Absorbers, MPA),通過合理設(shè)計器件的物理尺寸及材料參數(shù),使其對入射到吸收器的特定頻率的電磁波實現(xiàn)幾乎100%的吸收。隨后，各種結(jié)構(gòu)類型、不同工作波段的超材料吸收器相繼出現(xiàn)。面對各 種類型的MPA，大部分器件僅僅能實現(xiàn)吸收器的單一功能，但不能改變工作頻率處的吸收率，更不能通過外場改變主動調(diào)控實現(xiàn)器件開關(guān)工作的目的。這限制了 MPA的應(yīng)用和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器，旨在解決現(xiàn)有的吸收器不能對其吸收率進行調(diào)節(jié)的問題。本發(fā)明提供了一種開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器，包括襯底，位于襯底上的MIT相變層，位于MIT相變層上的介質(zhì)層以及位于介質(zhì)層上的周期排列的金屬開口諧振單元；通過改變MIT相變層的電導(dǎo)率實現(xiàn)在金屬開口諧振單元諧振頻率處吸收器的開或關(guān)。更進一步地，所述MIT相變層的材料為二氧化釩，通過外場激勵使得所述二氧化釩的電導(dǎo)率增大，在太赫茲波段吸收器的吸收率為I。更進一步地，吸收器的尺寸小于等于工作波長的十分之一。更進一步地，所述襯底材料為氮化硅、石英、硅或藍寶石，襯底的厚度為200-450 μ mD更進一步地，二氧化釩層是采用真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜或溶膠-凝膠鍍膜的方法獲得，所述二氧化釩層的厚度為0.3-1 μ m。更進一步地,所述介質(zhì)層為聚亞酰胺,所述介質(zhì)層的厚度為0.1-15 μ m。
更進一步地，所述金屬開口諧振單元的厚度為0.15-1 μ m。本發(fā)明采用襯底-二氧化釩-介質(zhì)層-SRRs四層結(jié)構(gòu)的開關(guān)可調(diào)MPA，通過外場控制二氧化釩的電導(dǎo)率，從而實現(xiàn)對MPA吸收率的控制。本發(fā)明還提供了一種基于上述的太赫茲波超材料完美吸收器的調(diào)控方法，包括下述步驟:通過改變二氧化釩層使其處于絕緣相來調(diào)節(jié)吸收器的吸收率為O通過改變二氧化釩層使其處于金屬相來調(diào)節(jié)吸收器的吸收率為I ;通過周期性的改變二氧化釩層的電導(dǎo)率實現(xiàn)吸收器的開或關(guān)。本發(fā)明還提供 了一種制作太赫茲波超材料完美吸收器的方法，包括下述步驟:在襯底上采用沉積工藝生長二氧化釩層薄膜；在二氧化釩薄膜上采用旋涂方法制作介質(zhì)層；在介質(zhì)層上制作金屬開口諧振單元圖形。更進一步地，采用離子束濺射或磁控濺射的方法生長二氧化釩層薄膜。本發(fā)明具有加工工藝成熟、制作方法簡單、全固態(tài)、室溫可控和調(diào)控方法多樣的優(yōu)點；若對本發(fā)明進行進一步優(yōu)化可實現(xiàn)在調(diào)控工作頻率的同時，對非工作頻率不產(chǎn)生影響。


圖1是本發(fā)明實施例提供的開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器中金屬超材料層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器的吸收率模擬結(jié)果曲線圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。MPA為一種基于麗s的吸收器，在自然界中很難找到具有吸收率近于100%的材料，所以MPA顯得尤為重要。通過設(shè)計MPA的結(jié)構(gòu)參數(shù)和選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，可以使MPA的阻抗與外界達到匹配，使其反射率R為O;同時由于器件部分為不透光的金屬材料，所以MPA的透射率T也為O。根據(jù)吸收率的計算公式A=1-T-R,可使得吸收率A達到100%，實現(xiàn)完全(美)吸收。本發(fā)明提供的開關(guān)可控的太赫茲波MPA包括周期排列的單元器件，每一個單元器件包括襯底、位于襯底上的功能材料層、功能材料層上的介質(zhì)層以及位于頂層的金屬超材料；其中功能材料層選用二氧化鑰;；當(dāng)二氧化鑰;層從絕緣相變成金屬相，也即二氧化鑰;層發(fā)生MIT相變，吸收器的吸收率隨著二氧化釩層電導(dǎo)率的改變也發(fā)生變化，實現(xiàn)了 MPA在特定頻率的開或關(guān)工作。在本發(fā)明實施例中，二氧化釩電導(dǎo)率與MPA吸收率更詳細的變化關(guān)系為:當(dāng)二氧化釩處于絕緣相時，其電導(dǎo)率約10S/m，太赫茲波段透射率幾乎100%，此時本發(fā)明所提供的器件在工作頻段吸收率約為5% ;對MPA外場激勵后，二氧化釩產(chǎn)生MIT相變、電導(dǎo)率呈指數(shù)增加，二氧化釩層與頂層金屬超材料之間產(chǎn)生耦合，耦合強度與二氧化釩的電導(dǎo)率成正比關(guān)系，同時二氧化釩的透射率也隨電導(dǎo)率的增大而減小，MPA的吸收率呈上升趨勢；當(dāng)二氧化釩處于金屬相時，其電導(dǎo)率可達到430000S/m，太赫茲波段透射率近乎為0，此時頂層金屬超材料與二氧化釩層發(fā)生強烈耦合產(chǎn)生對工作頻段的太赫茲波的近100%吸收。其中，頂層的金屬超材料可以采用金屬開口諧振單元，在所用材料確定的情況下，頂層金屬開口諧振單元決定吸收峰的位置，所以可通過改變頂層金屬開口諧振單元的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小來設(shè)計吸收峰的位置。該發(fā)明可作為現(xiàn)有太赫茲MPA的一個補充，具有潛在的應(yīng)用價值。現(xiàn)有的MPA中，通過設(shè)計麗s層的結(jié)構(gòu)和尺寸，可實現(xiàn)不同頻率處的完美吸收，或者說實現(xiàn)多頻率處的完美吸收；可調(diào)控的MPA主要是改變器件的工作頻率，現(xiàn)有的方法主要采用微機械(MEMS)結(jié)構(gòu)或者液晶等可控開關(guān)介質(zhì)的應(yīng)用。這些方法雖然可以滿足器件實現(xiàn)調(diào)控工作，但是微機械結(jié)構(gòu)器件存在壽命和穩(wěn)定性的問題、液晶器件也存在控制響應(yīng)速率的問題。鑒于此，我們將固態(tài)相變功能材料二氧化釩應(yīng)用到MPA中，該器件與微機械結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)簡單、因而可以提高穩(wěn)定性，與液晶器件相比實現(xiàn)了器件的全固態(tài)化、也減小了器件的響應(yīng)時間。二氧化釩具有可通過熱、光、或者電場等外場改變來控制相變的特性，且具有相變溫度高于室溫、相變速度快和相變前后電導(dǎo)率變化大的優(yōu)點，因此在紅外探測領(lǐng)域已經(jīng)使用非常廣泛。本發(fā)明所提供器件中二氧化釩處于金屬相時，具有較高的電導(dǎo)率，可以與頂層SRRs產(chǎn)生耦合使MPA產(chǎn)生極高的吸收率；同時，二氧化釩相變前后在太赫茲波段光譜透射率的變化正好也符合開關(guān)可控MPA對該層材料的要求。我們設(shè)計出一種“襯底-二氧化釩-介質(zhì)層-SRRss”四層結(jié)構(gòu)的開關(guān)可調(diào)MPA，通過外場控制二氧化釩的電導(dǎo)率，從而實現(xiàn)對MPA吸收率的控制。如圖1所示，太赫茲波MPA包括在太赫茲波段低傳輸損耗襯底1，MIT相變材料2、介質(zhì)材料3和周期排列的金屬開口諧振單元4 ;利用MIT相變材料相變前后電導(dǎo)率的變化來改變吸收器的吸收率，實現(xiàn)了在金屬開口諧振單元諧振頻率附近可以實現(xiàn)開與關(guān)的太赫茲波MPA，達到了在太赫茲波段特定頻率處的電磁傳輸特性進行主動性控制，獲得大的開關(guān)比或調(diào)制深度。由于器件工作在太赫茲范圍，單兀器件尺寸應(yīng)不大于工作波長的十分之一,應(yīng)該在微米量級。其中襯底材料可以為氮化硅、石英、硅、藍寶石等材料，厚度在200-450 μ m ;二氧化釩層可采用真空 蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、溶膠-凝膠鍍膜等方法，厚度為0.3-1 μ m ;介質(zhì)層可選用在太赫茲波段低損耗的絕緣介質(zhì)，如:聚亞酰胺，其厚度由絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)和損耗決定，一般為0.1-15 μ m ;頂層金屬超材料層為人工設(shè)計的金屬開口諧振單元陣列，其厚度為0.15-1 μ m。本發(fā)明頂層金屬超材料的結(jié)構(gòu)可以為各種開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，下面以電耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)(ELC)為例說明，如圖2所示,各部分參數(shù)為:Lx=Ly=50 μ m、Ax=Ay=35 μ m、w=4 μ m、g=3 μ m>c=10 μ m ;其中襯底選用藍寶石襯底；二氧化鑰;層厚0.15 μ m,;介質(zhì)層厚7 μπι,介電常數(shù)3.5，損耗角正切值0.0027 ;金屬超材料層厚0.2 μ m。根據(jù)上述參數(shù)，頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器經(jīng)CST MWS模擬仿真軟件進行結(jié)構(gòu)與性能模擬，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出二氧化釩相變前后MPA的吸收率的情況，如圖3所示，當(dāng)二氧化釩處于金屬相時，在1.2THZ處可達到最大吸收率99.90% ;當(dāng)二氧化釩恢復(fù)到絕緣相時，在1.2THz處的吸收率僅為5.38%，開關(guān)比達到23.53dB，調(diào)制深度達到94.61%，實現(xiàn)了太赫茲MPA的開與關(guān)。圖3中在2.376THz處有另一個吸收峰，由于產(chǎn)生原理與1.2THz處的吸收峰不同，我們不作討論。本發(fā)明實施例提供的開關(guān)可調(diào)的太赫茲波超材料完美吸收器的制作工藝包括下述步驟:(I)在襯底上采用現(xiàn)有的各種沉積工藝生長VO2薄膜和介質(zhì)層；其中，可以采用諸如離子束濺射或磁控濺射等沉積工藝。(2)繼續(xù)在介質(zhì)層上制作金屬諧振單元圖形；可以采用lift-off剝離技術(shù)制作金屬諧振單元圖形。本發(fā)明實施例提供的太赫茲波超材料完美吸收器的控制方法具體包括下述步驟:(I)通過改變二氧化釩層使其處于絕緣相來調(diào)節(jié)吸收器的吸收率為O(2)通過改變二氧化釩層使其處于金屬相來調(diào)節(jié)吸收器的吸收率為I ;(3)通過周期性的改變二氧化釩層的電導(dǎo)率實現(xiàn)吸收器的開或關(guān)。其中，二氧化釩為3d過渡金屬氧化物，具有在外場激勵下發(fā)生MIT相變的特性，從絕緣(I)相變成為金屬(M)相后，其電導(dǎo)率可增大3 5個數(shù)量級，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。這使得采用二氧化釩的MPA在可以通過外場激勵達到對MPA的控制，而這種激勵可以為熱、光和電，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。隨著電導(dǎo)率的改變，其在太赫茲波段的透射率也發(fā)生變化，I相二氧化釩對太赫茲波傳輸產(chǎn) 生極小的損耗…相二氧化釩可以達到全反射的效果。本發(fā)明所提供的器件具有加工工藝成熟、制作方法簡單、全固態(tài)、室溫可控和調(diào)控方法多樣的優(yōu)點，且在調(diào)控工作頻率的同時，對非工作頻率不產(chǎn)生影響。在太赫茲探測、空間光通信等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器，其特征在于，包括襯底，位于襯底上的MIT相變層，位于MIT相變層上的介質(zhì)層以及位于介質(zhì)層上的周期排列的金屬開口諧振單元；通過改變MIT相變層的電導(dǎo)率實現(xiàn)在金屬開口諧振單元諧振頻率處吸收器的開或關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料完美吸收器，其特征在于，所述MIT相變層的材料為二氧化釩，通過外加激勵使得所述二氧化釩的電導(dǎo)率增大，吸收器在太赫茲波段特定頻率處的吸收率為I。
3.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料完美吸收器，其特征在于，吸收器的尺寸小于等于工作波長的十分之一。
4.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料完美吸收器，其特征在于，所述襯底材料為氮化硅、石英、硅或藍寶石，襯底的厚度為200-450 μ m。
5.如權(quán)利要求2所述的太赫茲波 超材料完美吸收器，其特征在于，二氧化釩層是采用真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜或溶膠-凝膠鍍膜的方法獲得，所述二氧化釩層的厚度為0.3-1 μ mD
6.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料完美吸收器，其特征在于，所述介質(zhì)層為聚亞酰胺，所述介質(zhì)層的厚度為0.1-15 μ m。
7.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料完美吸收器，其特征在于，所述金屬開口諧振單元的厚度為0.15-1 μ m。
8.一種基于權(quán)利要求1-7任一項所述的太赫茲波超材料完美吸收器的控制方法，其特征在于，包括下述步驟: 通過改變二氧化釩層使其處于絕緣相來調(diào)節(jié)吸收器的吸收率為O 通過改變二氧化釩層使其處于金屬相來調(diào)節(jié)吸收器的吸收率為I ; 通過周期性的改變二氧化釩層的電導(dǎo)率實現(xiàn)吸收器的開或關(guān)。
9.一種制作太赫茲波超材料完美吸收器的方法，其特征在于，包括下述步驟: 在襯底上采用沉積工藝生長二氧化釩層薄膜 在二氧化釩薄膜上制作介質(zhì)層； 在介質(zhì)層上制作金屬開口諧振單元圖形。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，采用離子束濺射或磁控濺射的方法生長二氧化釩層薄膜；采用旋涂方法制作介質(zhì)層。
全文摘要
本發(fā)明涉及超材料器件領(lǐng)域，提供了一種開關(guān)可控的太赫茲波超材料完美吸收器及其控制方法；包括襯底，位于襯底上的MIT層，位于MIT相變層上的介質(zhì)層以及位于介質(zhì)層上的周期排列的金屬開口諧振單元；通過改變MIT相變層的電導(dǎo)率實現(xiàn)在金屬開口諧振單元諧振頻率處吸收器的開或關(guān)；本發(fā)明利用MIT相變材料相變前后電導(dǎo)率的變化來改變吸收器的吸收率，實現(xiàn)了在金屬開口諧振單元諧振頻率附近可以實現(xiàn)開與關(guān)的太赫茲波MPA，達到了在太赫茲波段對特定頻率處的電磁傳輸特性進行主動性控制，獲得大的開關(guān)比或調(diào)制深度；采用襯底-二氧化釩-介質(zhì)層-SRRs四層結(jié)構(gòu)的開關(guān)可調(diào)MPA，通過外場控制二氧化釩的電導(dǎo)率，從而實現(xiàn)對MPA吸收率的控制。
文檔編號G02B5/00GK103247839SQ201310112820
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者孟德佳, 陳長虹 申請人:華中科技大學(xué)