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CN114914700B - 一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵及制备方法 - Google Patents

一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵及制备方法 Download PDF

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CN114914700B CN202210503632.4A CN202210503632A CN114914700B CN 114914700 B CN114914700 B CN 114914700B CN 202210503632 A CN202210503632 A CN 202210503632A CN 114914700 B CN114914700 B CN 114914700B
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Abstract

本发明属于超材料及电磁功能器件技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，用于解决基于VO2的可调谐太赫兹超材料大多功能单一的问题。本发明公开了一种基于氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，将VO2与经过优化设计的含有双SRR的超材料相结合，利用VO2的相变特性与超材料对电磁波的精确控制能力，通过外部物理刺激控制相变材料VO2的电导率变化，继而控制人工电磁媒质的谐振模式转换，使得该金属‑VO2复合调控单元在金属态和介质态下均具有独立的360°的相位调制范围，并且可以保持较高的偏振转换效率，因而可以对两种状态进行不同的功能设计，并通过外部刺激改变VO2的工作状态实现动态功能切换。

Description

一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵及制备方法
技术领域
本发明涉及超材料及电磁功能器件领域，尤其涉及一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵及制备方法。
背景技术
可调谐的太赫兹器件是目前太赫兹技术领域的一个热门方向和发展趋势。与传统的通过改变结构的尺寸来调谐器件性能相比，可调谐器件无需多次加工测试，功能更加丰富。超材料是一种特殊的电磁材料，可以通过特殊的方式对电磁波进行灵活的调控，通常该种材料为亚波长金属谐振单元，通过人工精确设计表现出自然界材料难以实现的超常规性质，进而控制电磁波，表现特殊的电磁特性和功能。由于太赫兹波波长尺寸在微米量级，这使得微波波段的器件及电子元件无法直接应用于太赫兹波段。基于超材料的可调谐的太赫兹器件一般是在微结构敏感区域嵌入活性材料，通过不同的外界物理场刺激，如光、电场、热等来激发活性材料性能，进而改变谐振结构的谐振频点或者谐振模式，从而实现对太赫兹波的动态调制。
二氧化钒(VO2)作为一种相变材料，在光、热、电多种外部驱动下均可实现从介质相到金属相的相变转换，对于生长在不同衬底上的VO2薄膜，在太赫兹频段的电导率变化范围在3至5个数量级，其相变速率仅为几十飞秒，其在300K温度下近似为一种绝缘状态，当温度超过355K的相变温度时，VO2将经历从绝缘状态向金属状态的转变，并伴随着电导率的急剧增加。图形化的VO2结合人工微结构的复合设计可通过控制VO2的电导率调节微结构在太赫兹波下的谐振模式，从而实现对太赫兹波的幅度和相位调控。
但是目前的基于VO2的可调谐的太赫兹超材料大多功能单一，不易于集成化的发展，如论文“Thermally switchable terahertz wavefront metasurface modulatorsbased on the insulator-to-metal transition of vanadium dioxide”和“TerahertzTunable Metasurface Lens Based on Vanadium Dioxide Phase Transition”都只在一个状态下具备相位调控能力，功能单一，论文“Terahertz Switchable Focusing PlanarLens With a Nanoscale Vanadium Dioxide Integrated Metasurface”和“Multifunctional Metasurface LensWith Tunable Focus Based on Phase TransitionMaterial”，都采用了分区域调制的方法，大大降低了能量利用率。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵及制备方法，目的在于设计一种可工作于太赫兹频段的动态多功能器件，可以将不同功能集成到单一设备，并且通过外部物理刺激控制可以在不同功能之间进行动态切换。
本发明解决上述技术问题提供以下技术方案：
一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，包括背面金属底板、衬底、以及形成于衬底之上的相位调制结构；
所述相位调制结构包括多个阵列排布的相位调制单元结构；
所述相位调制单元结构为金属和相变材料VO2组成的复合结构；
所述相位调制单元结构包括同心的圆环状的内环和外环，所述内环由互补的金属开口环和VO2开口环组成，所述外环一侧设置有开口；
所述外环的材料采用VO2；
所述金属开口环在x-y平面的对称轴与x轴夹角为+45°或-45°，所述外环在x-y平面的对称轴与x轴夹角为+45°或-45°。
本发明提供的基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，其调制单元在两种状态下的调制作用具有独立性，因此可以将任意两组波前调制功能组合到一起，实现多功能动态切换。
进一步地，所述衬底为石英或者蓝宝石中的一种。
进一步地，所述金属反射底板及相位调制结构中，金属为金、银、铜或铝中的一种。
进一步地，所述相位调制结构为多个调制单元构成的M*N型阵列，其中M和N为正整数；且M>3，N>3。
所述相位调制结构中，金属开口环和外环的开口大小、开口的方向会分别影响VO2在介质态和金属态下的反射阵的反射相位。
进一步地，所述基于VO2的动态多功能反射阵在VO2为介质态和金属态时，其反射相位完全独立。
进一步地，所述基于VO2的动态多功能反射阵通过控制VO2的状态改变实现太赫兹波的功能切换。
本发明提供的一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，确定VO2为介质态和金属态下分别所需的调制功能，如聚焦、波束偏转等，然后根据设定的功能和三维相位调制原理去确定在两种状态下分别所需的相位分布，即每个单元结构位置所需的相位；
步骤二，根据VO2为介质态时的调制功能所需的相位分布确定每个单元结构位置的调制相位值，通过调节对应位置的单元结构中金属开口环的大小和开口朝向，改变太赫兹波的反射相位以实现对应单元结构在介质态下的相位调制；
步骤三，根据VO2为金属态时的调制功能所需的相位分布确定每个单元结构位置的调制相位值，通过调节对应位置的单元结构中外环的开口大小和开口朝向，改变太赫兹波的反射相位以实现对应单元结构在金属态下的相位调制；
步骤四，在各单元结构中的金属开口环的开口处填充VO2微结构，使内环成为一个完整的闭合环，使得两种状态的相位调制效果具有独立性，即可得到所述动态多功能太赫兹反射阵。
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、本发明提供的基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，其调制单元在两种状态下的调制作用具有独立性，因此可以将任意两组波前调制功能组合到一起，实现多功能动态切换。
2、本发明提供的基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，通过对单元内外环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0.75,金属态单元平均反射率0.5。
3、本发明提供的基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，对x极化、y极化、左旋极化以及右旋极化等多种极化的THz波均具有极化转换和相位调制效果，具有极化不敏感特性。
4、本发明提供的动态多功能太赫兹反射阵选用了相变材料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。
5、本发明提供的基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，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。
6、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
图1为实施例中器件整体设计方案示意图。
图2为实施例中器件调制单元立体示意图。
图3为介质态下调制单元的电场与表面电流分布模式图。
图4为金属态下调制单元的电场与表面电流分布模式图。
图5为实施例中器件在介质态下所选单元的幅相特性曲线。
图6为实施例中器件在金属态下所选单元的幅相特性曲线。
图中：1-背面金属底板，2-衬底，3-正面相位调制结构，4-内环，401-VO2开口环，402-金属开口环，5-外环。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、特征与功效更容易被理解下面结合实施例及本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1-图6所示，本发明提供以下技术方案：
一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，将VO2与经过优化设计的含有双开口谐振环(Split Resonant Ring,以下简称SRR)的超材料相结合，利用VO2的相变特性与超材料对电磁波的精确控制能力，通过外部物理刺激控制相变材料VO2的电导率变化，继而控制人工电磁媒质的谐振模式转换，使得该金属-VO2复合调控单元在两个状态(金属态和介质态)下均具有独立的360°的相位调制范围，并且可以保持一定的效率，通过控制VO2的状态实现太赫兹波调制功能的动态切换。
因而本发明是一种基于二氧化钒的动态多功能反射阵，该反射阵包括：金属反射底板、衬底、以及形成于衬底之上的相位调制结构，所述相位调制结构包括多个阵列排布的相位调制单元结构，所述相位调制单元结构为金属和相变材料二氧化钒组成的复合结构，该复合结构包括同心的内环和外环，内环由互补的金属开口环和VO2开口环组成，外环的材料为VO2，所述金属开口环的对称轴与x轴夹角为+45°或-45°，外环的对称轴与x轴夹角为+45°或-45°。
进一步地，所述衬底为石英或者蓝宝石的一种。
进一步地，所述金属反射底板及相位调制结构中，金属为金、银、铜或铝的一种。
进一步地，所述相位调制结构为多个调制单元构成的M*N型阵列，其中M和N为正整数且M>3，N>3。
所述相位调制结构中，金属开口环和外环的开口大小、开口的方向会分别影响VO2在介质态和金属态下的反射阵的反射相位。
进一步地，所述基于VO2的动态多功能反射阵在VO2为介质态和金属态时，其反射相位完全独立。
进一步地，所述基于VO2的动态多功能反射阵通过控制VO2的状态改变实现太赫兹波的功能切换。
本发明提供的一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，确定VO2为介质态和金属态下分别所需的调制功能，如聚焦、波束偏转等，然后根据设定的功能和三维相位调制原理去确定在两种状态下分别所需的相位分布，即每个单元结构位置所需的相位；
步骤二，根据VO2为介质态时的调制功能所需的相位分布确定每个单元结构位置的调制相位值，通过调节对应位置的单元结构中金属开口环的大小和开口朝向，改变太赫兹波的反射相位以实现对应单元结构在介质态下的相位调制；
步骤三，根据VO2为金属态时的调制功能所需的相位分布确定每个单元结构位置的调制相位值，通过调节对应位置的单元结构中外环的开口大小和开口朝向，改变太赫兹波的反射相位以实现对应单元结构在金属态下的相位调制；
步骤四，在各单元结构中的金属开口环的开口处填充VO2微结构，使内环成为一个完整的闭合环，使得两种状态的相位调制效果具有独立性，即可得到所述动态多功能太赫兹反射阵。
为让本领域的技术人员更好地理解本发明的原理，下面结合附图做进一步阐述：
本发明中的动态多功能太赫兹反射阵的是VO2与金属微结构巧妙而有效结合的双环复合阵列结构。我们通过对双LC谐振结构的优化设计和VO2的高效结合，使得VO2从介质态切换到金属态时，其相位调制作用不再是相位补偿，而是彻底的相位重构，这使得两种状态下调制单元的调制作用具有独立性，因此可以对两种状态分别进行独立功能设计。该器件通过激光控制VO2相变过程，使得调控单元可以在不同的谐振模式间快速转化，使其可以实现动态功能切换。通过仿真计算说明了这是一种极具发展潜力和实用价值的动态多功能THz调控器件。
如图1和图2所示，本发明包括金属反射底板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，每个相位调制单元结构为金属和二氧化钒组成的复合结构，该复合结构包括同心的内环4和外环5，内环4由互补的金属开口环402和VO2开口环401组成，外环5的材料为VO2，其中金属开口环402的对称轴与x轴夹角为+45°或-45°，所述外环5的对称轴与x轴夹角为+45°或-45°。所述复合微结构阵元的衬底采用石英，其厚度为100μm，边长为270μm；VO2厚度为300nm，金属材料采用金，VO2和金的厚度均为300nm；外环半径为115μm，内环半径为67μm；所有微结构线宽均为20μm.
当氧化钒处于介质态时，其电导率约为30S/m，在太赫兹波段作用等同于介质，透射率较高，当太赫兹波垂直入射时，如图3所示，表面电流主要分布在金属开口环上，由于LC谐振，电场集中在金属开口环两端，此时VO2对THz波几乎不起作用，只有金属开口环独立起调制作用，反射场的极化和相位的调制效果主要取决于金属开口环的参数变化；当有外部物理刺激时，VO2的相变特性被激发，由绝缘态过渡到金属态时，其电导率增大至约3*10^5S/m，透射率大大降低，如图4所示，表面电流和电场在内环和外环上均有分布，反射场受内环和外环共同作用，由于此时内环近似金属闭合环，因此其调制效果主要取决于外环的参数变化。
如图1所示，在介质态下，当x方向(或y方向)线极化(即线偏振)THz波垂直入射时，由于金属开口环的各项异性，反射波发生极化转化并产生一定的相移，我们通过改变金属开口环的开口大小，交叉极化波可以实现180°的相移变化。同样的，在金属态下，外环提供了各项异性，反射波发生极化转化并产生一定的相移，此时我们通过改变外部VO2环的开口大小，可以在金属态实现交叉极化波180°的相移变化。如图5和图6所示，当金属开口环和外环的开口方向均为相对于x轴+45°时，我们通过改变对应开口大小在两种状态下分别选取了四个调制单元，相位梯度45°，交叉极化波相移变化覆盖180°，并且工作频段都覆盖了太赫兹关键频点0.34THz。在0.34THz频点处，介质态的平均幅值约为0.75，金属态的平均幅值约为0.5。
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°，即相对于x轴-45°时，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。此外，本发明的调制单元关于x＝y平面对称，因此不仅对x极化(或y极化)太赫兹波起调制作用，对圆极化太赫兹波同样有效果；进一步地，该发明与卷积理论结合可以进一步丰富其功能设计。
综上所述，基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵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。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，其特征在于，包括背面金属底板（1）、
衬底（2）、以及形成于衬底之上的相位调制结构（3）；
所述相位调制结构（3）包括多个阵列排布的相位调制单元结构；
所述相位调制单元结构为金属和相变材料 VO2 组成的复合结构；
所述相位调制单元结构包括同心的圆环状的内环（4）和外环（5），所述内环（4）由互 补的金属开口环（402）和 VO2 开口环（401）组成一个封闭的环体，所述外环（5）一侧设置有开口；
所述外环（5）的材料采用 VO2； 所述金属开口环（402）在 x-y 平面的对称轴与 x 轴夹角为+45°或-45°，所述外环（5）在 x-y 平面的对称轴与 x 轴夹角为+45°或-45°。
2. 如权利要求 1 所述的一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，其特征在于， 所述衬底（2）采用石英或者蓝宝石中的一种。
3.如权利要求 1 所述的一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，其特征在于，所 述背面金属底板（1）及相位调制结构（3）中，金属结构采用金、银、铜或铝中的一种。
4.如权利要求 1 所述的一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，其特征在于，所 述相位调制结构（3）为多个调制单元构成的 M*N 型阵列，其中 M 和 N 为正整数；且 M>3， N>3。
5.如权利要求 1 所述的一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，其特征在于，VO2 在介质态和金属态时，其反射相位完全独立。
6.如权利要求 1 所述的一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，其特征在于，通 过控制 VO2 的状态改变来实现太赫兹波的功能切换。
7. 一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求 1-6 中任意一项中所述的一种基于二氧化钒的动态多功能太赫兹反射阵，包括以下步 骤：
步骤一，确定 VO2 为介质态和金属态下分别所需的调制功能，然后根据设定的调制功能 和三维相位调制原理去确定在介质态和金属态下分别所需的相位分布，即每个单元结构位置 所需的相位；
步骤二，根据 VO2 为介质态时的调制功能所需的相位分布确定每个单元结构位置的调制 相位值，通过调节对应位置的单元结构中金属开口环的大小和开口朝向，改变太赫兹波的反 射相位以实现对应单元结构在介质态下的相位调制；
步骤三，根据 VO2 为金属态时的调制功能所需的相位分布确定每个单元结构位置的调制 相位值，通过调节对应位置的单元结构中外环的开口大小和开口朝向，改变太赫兹波的反射相位以实现对应单元结构在金属态下的相位调制；
步骤四，在各单元结构中的金属开口环的开口处填充 VO2 微结构，使内环成为一个完整 的闭合环，使得两种状态的相位调制效果具有独立性，即可得到所述动态多功能太赫兹反射 阵。
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