CN112490678B - 基于vo2的宽带太赫兹超表面吸收单元及超表面吸收体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元及超表面吸收体；该超表面吸收单元包括：金属谐振层、介质层和太赫兹波全反射层；所述金属谐振层位于所述介质层的上表面，所述太赫兹波全反射层位于所述介质层的下表面；所述金属谐振层包括：刻蚀有正十字形缝隙的正十字形金属贴片，所述正十字形缝隙的两条互相垂直的直线形缝隙分别与所述正十字金属贴片的两条中心线重合；所述直线形缝隙的两端均内嵌VO2材料。本发明可以提高太赫兹超表面吸收体的带宽和吸收率，且不增加太赫兹超表面吸收单元的设计复杂度及制备难度。
Description
技术领域
本发明属于电磁波和新型人工电磁材料领域，具体涉及基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元及吸收体。
背景技术
太赫兹波因其独特的性质使得它在生物医药、无损检测、材料科学、环境监测、安全检查、信息通信、天文学等众多领域有广阔的应用前景。因此，如何人为地调控太赫兹波，使其能够成功应用在各领域成为了研究的焦点。
超表面又名超构表面，是一种由亚波长的微结构单元在二维方向上呈周期性排列后所形成的一种人工材料；通过对微结构单元的形状、尺寸和排列方式进行设计，可以使其在特定频率处呈现出天然材料所不具备的电磁特性，例如，负折射率、负磁导率和负介电常数等。
二氧化钒VO2材料是一种相变材料，在热、电、光等外场驱动下，具有可逆的金属态，即具有半导体态相变，相变前后材料的电导率会发生显著变化。当温度T＝300K时，VO2表现出半导体态，此时电导率与常规的半导体材料电导率相当；当温度升高到350K时，VO2表现出金属态，此时电导率会较半导体态时发生四到五个数量级的改变。
近年来，太赫兹超表面吸收体作为太赫兹波调控器件引起了广泛的研究关注。然而，现有太赫兹超表面吸收体大多存在带宽较窄、具有毛刺吸收峰的问题；且现有太赫兹超表面吸收体的微结构单元通常结构复杂，加工难度大。例如，文献“A switchablepolarization-independent THz absorber using a phase change material”公开的使用相变材料VO2的宽带可调偏振不敏感太赫兹吸收体，在VO2处在金属态时，在10.28-15.56THz范围内吸收率高于90％，但是当VO2处在半导体态时，存在多个毛刺吸收峰，其中五个毛刺吸收峰的吸收率超过90％。文献“A broadband and switchable VO2-basedperfect absorber at the THz frequency”公开的基于VO2的宽带可调太赫兹频带完美吸收体中，每个微结构单元由两个尺寸不同的“I”形结构的谐振层形成的三层吸收结构相互叠加而成，其中一个三层吸收结构的谐振层和反射层由VO2构成。该吸收体超过90％的吸收带宽仅有不到0.2THz。另外，由于三维结构的叠加，导致微结构单元共有六层，不仅结构负载，且采用“I”形谐振层导致了吸收单元对偏振敏感。
发明内容
为了提高太赫兹超表面吸收体的带宽和吸收率，且不增加太赫兹超表面吸收单元的设计与制备难度，本发明提供了一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，包括：金属谐振层、介质层和太赫兹波全反射层；所述金属谐振层位于所述介质层的上表面，所述太赫兹波全反射层位于所述介质层的下表面；
所述金属谐振层包括：刻蚀有正十字形缝隙的正十字形金属贴片，所述正十字形缝隙的两条互相垂直的直线形缝隙分别与所述正十字金属贴片的两条中心线重合；所述直线形缝隙的两端均内嵌VO2材料。
优选地，所述直线形缝隙的横截面为矩形，所述VO2材料呈矩形结构。
优选地，所述直线形缝隙的两端所分别嵌入的VO2材料，其厚度均为 0.2μm～2μm，其长度均占所述直线形缝隙的一半长度的40％～75％。
优选地，所述正十字形金属贴片的外端边沿不超出所述介质层的边沿，且与所述介质层的边沿之间的距离不小于1μm。
优选地，所述正十字形金属贴片的材质包括：金或铜。
优选地，所述介质层采用介电常数在(2，4)之间的、电损耗正切小于0.01 的非导电材料制成。
优选地，所述非导电材料包括：聚酰亚胺或苯并环丁烯BCB。
优选地，所述太赫兹波全反射层的材质包括：金、铜或铝。
优选地，所述太赫兹波全反射层的厚度为0.2μm～2μm。
第二方面，本发明提供了一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体，包括：多个呈矩阵排列的超表面吸收单元，所述超表面吸收单元为如权利要求1-9任一项所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元。
本发明提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元中，由于金属谐振层的结构具有旋转对称性，故对入射的太赫兹波是偏振不敏感的。基于该金属谐振层，利用感应电流形成的磁谐振和入射电磁波与结构缝隙耦合形成的电谐振，使得本发明提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，在VO2呈金属态时能够具有最大超过98％的吸收率，且在4.8-5.55THz的宽带范围内吸收率均能够达到90％以上，在VO2呈半导体态时的吸收率不超过50％。因此，本发明提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，不仅吸收率高，且具有宽入射角度的吸收特性。
另外，本发明提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元的结构简单，只需改变直线形缝隙的两端内嵌的VO2材料的长度，即可方便的调节超表面吸收单元对入射的太赫兹波的吸收程度。因此，本发明提供的基于 VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，还具有灵活可调的特点。并且，本发明提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元的制备难度低。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元的立体图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的侧视图；
图4是本发明实施例提供的一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体的结构示意图；
图5是图4所示的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体的吸收光谱图；
图6是图4所示的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体在T＝350K、 VO2材料为不同长度l2时的吸收光谱图；
图7是图4所示的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体在T＝350K、偏振入射角变化时的吸收光谱图；
图8是图4所示的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体在T＝350K、横电波TE模式下偏振入射角变化时的吸收光谱图；
图9是图4所示的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体在T＝350K、横磁波TM模式下偏振入射角变化时的吸收光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了提高太赫兹超表面吸收体的带宽和吸收率，且不增加太赫兹超表面吸收单元的设计复杂度和制备难度，本发明实施例提供了一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，如图1所示，该超表面吸收单元包括：金属谐振层1、介质层2和太赫兹波全反射层3；金属谐振层1位于介质层2的上表面，太赫兹波全反射层3位于介质层2的下表面。
如图1所示，该金属谐振层1包括：刻蚀有正十字形缝隙的正十字形金属贴片101，该正十字形缝隙的两条互相垂直的直线形缝隙分别与正十字金属贴片的两条中心线重合；这两条直线形缝隙的两端均内嵌VO2材料102。
本发明实施例中，通过控制温度的变化可以控制VO2材料的相变，当 T＝300K时，VO2材料呈现半导体态，此时VO2材料的电导率为1西门子每米；当T＝350K时，VO2材料表现为金属态，此时VO2材料的电导率为2×105西门子每米。
优选地，该直线形缝隙的横截面为矩形；相应的，该直线形缝隙的两端内所嵌入的VO2材料102呈矩形结构。当然，直线形缝隙的横截面还可以是半圆形、梯形等各种不同的结构，VO2材料的具体形状适应该直线形缝隙的横截面的形状而设置，本发明实施例不再一一列举。
本发明实施例提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元中，由于金属谐振层1的结构具有旋转对称性，故对入射的太赫兹波是偏振不敏感的。基于该金属谐振层1，利用感应电流形成的磁谐振和入射电磁波与结构缝隙耦合形成的电谐振，使得本发明提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，在VO2呈金属态时能够具有最大超过98％的吸收率，且在 4.8-5.55THz的宽带范围内吸收率均能够达到90％以上，在VO2呈半导体态时的吸收率不超过50％。因此，本发明实施例提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，不仅吸收率高，且具有宽入射角度的吸收特性。
另外，本发明实施例提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元的结构简单，只需改变直线形缝隙的两端内嵌的VO2材料的长度，即可方便的调节超表面吸收单元对入射的太赫兹波的吸收程度。因此，本发明提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，还具有灵活可调的特点。并且，本发明提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元的制备难度低。
优选地，直线形缝隙的两端所分别嵌入的VO2材料102，其厚度均为 0.2μm～2μm，其长度均占直线形缝隙的一半长度的40％～75％。
优选地，正十字形金属贴片的外端边沿不超出介质层2的边沿，且与介质层2的边沿之间的距离不小于1μm。这样，在将超表面吸收单元周期性的排列在一起形成超表面吸收体时，相邻的超表面吸收单元的金属谐振层1之间保留有间距，不会互相干扰。当然，在超表面吸收体上的相邻的超表面吸收单元之间本身就保留有一定间距的情况下，正十字形金属贴片的外端边沿也是可以与介质层2的边沿齐平的。
优选地，金属谐振层1中的正十字形金属贴片可以采用金或者铜来制备，即正十字形金属贴片可以用金箔或铜箔制成。
优选地，介质层2可以采用介电常数在(2，4)之间的、电损耗正切小于 0.01的非导电材料制成。例如，聚酰亚胺或苯并环丁烯BCB等等。
其中，聚酰亚胺的相对介电常数为3.5，电损耗正切为0.008。苯并环丁烯BCB的相对介电常数为2.6，电损耗正切为0.0005。
优选地，太赫兹波全反射层3的材质包括：金、铜或铝，当然，并不局限于此。
优选地，该太赫兹波全反射层3的厚度可以为0.2μm～2μm。
另外，本发明实施例对于介质层2和太赫兹波全反射层3的具体形状和尺寸不做限定。
图2和图3示例性的示出了一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元的结构，图2是该超表面吸收单元的俯视图，图3是该超表面吸收单元的侧视图。如图2和图3所示，该超表面吸收单元的结构参数包括：l1＝10.5μm， l2＝5.5μm，w1＝3.0μm，w2＝1.0μm，t1＝0.2μm，t2＝11μm和p＝30μm。需要说明的是，这里所示出的超表面吸收单元的结构参数仅仅作为示例，并不作为对本发明实施例的限定。
基于上述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，本发明实施例还提供了一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体，包括：多个呈矩阵排列的超表面吸收单元，这里说的超表面吸收单元可以是上述任一实施例提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元。
在实际应用中，本发明实施例提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体，可以应用于生物医药、无损检测、材料科学、环境监测、安全检查、信息通信、天文学等众多领域。
图4示例性的示出了一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体。可以理解的是，实际的超表面吸收体包括的超表面吸收单元的数量是很多的，为了图片能够显示清楚，故而仅在图4中示出了6×6个超表面吸收单元。
基于图4所示的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体进行仿真，仿真结果参见图5至图9。在仿真时，超表面吸收体中的各超表面吸收单元的结构参数如下：l1＝10.5μm，l2＝5.5μm，w1＝3.0μm，w2＝1.0μm，t1＝0.2μm，t2＝11μm， p＝30μm。
图5为VO2材料分别处于半导体态和金属态时，该超表面吸收体的吸收光谱。可以看到，当温度T＝300K时，VO2材料处于半导体态，电导率极低，不会对吸收体的固有吸收率造成影响，此时仅有一个吸收率不超过50％的吸收峰，位于5.25THz处。当T＝350K时，此时VO2材料处于金属态，VO2电导率的急剧增大导致了吸收体的吸收率大幅增加，最高吸收率超过98％，并在 4.8-5.55THz的宽带范围内吸收率均达到90％以上。
图6为温度T＝350K时，即VO2材料处于金属态时，VO2材料为不同长度 l2时超表面吸收体的吸收光谱。可以看到，随着嵌入直线形缝隙内的VO2材料的长度l2从5.5μm增加到10μm，即VO2材料的长度占直线形缝隙的一半长度的比例从40％增加到74％，超表面吸收体的吸收率不断减小。由此可见，通过改变嵌入到直线形缝隙内的VO2材料的长度，可以实现对入射太赫兹波的不同程度的吸收。
图7为T＝350K时，该超表面吸收体在不同偏振角入射时的吸收光谱。可以看到，随着偏振角度从0°到90°的增加，超表面吸收体的吸收率几乎没有变化，对入射的电磁波是偏振不敏感的。
图8为T＝350K时，即VO2材料处于金属态时，在横电波TE模式的太赫兹波以不同入射角入射时，该超表面吸收体的吸收光谱。从图8中可以看到，随着TE模式下入射角度的增加，该超表面吸收体的吸收带宽逐渐变窄，但在入射角度小于80°时，吸收率仍然超过80％。
图9为T＝350K时，即VO2材料处于金属态时，在横磁波TM模式的太赫兹波以不同入射角入射时，该超表面吸收体的吸收光谱。从图9中可以看到，随着TM模式下入射角度的增加，本该超表面吸收体的吸收率逐渐减小，当入射角度小于40°时，在宽带范围内吸收率依然在80％以上。
对比图8和图9可见，本发明实施例提供的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体，具有宽入射角吸收特性，对于相同的吸收率，TE模式下入射角度大于TM模式下入射角度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，包括：金属谐振层、介质层和太赫兹波全反射层；所述金属谐振层位于所述介质层的上表面，所述太赫兹波全反射层位于所述介质层的下表面；
所述金属谐振层包括：刻蚀有正十字形缝隙的正十字形金属贴片，所述正十字形缝隙的两条互相垂直的直线形缝隙分别与所述正十字形金属贴片的两条中心线重合；所述直线形缝隙的两端均内嵌VO2材料。
2.根据权利要求1所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，所述直线形缝隙的横截面为矩形，所述VO2材料呈矩形结构。
3.根据权利要求2所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，所述直线形缝隙的两端所分别嵌入的VO2材料，其厚度均为0.2μm～2μm，其长度均占所述直线形缝隙的一半长度的40％～75％。
4.根据权利要求1所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，所述正十字形金属贴片的外端边沿不超出所述介质层的边沿，且与所述介质层的边沿之间的距离不小于1μm。
5.根据权利要求1所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，所述正十字形金属贴片的材质包括：金或铜。
6.根据权利要求1所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，所述介质层采用介电常数在(2，4)之间的、电损耗正切小于0.01的非导电材料制成。
7.根据权利要求6所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，所述非导电材料包括：聚酰亚胺或苯并环丁烯BCB。
8.根据权利要求1所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，所述太赫兹波全反射层的材质包括：金、铜或铝。
9.根据权利要求8所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，其特征在于，所述太赫兹波全反射层的厚度为0.2μm～2μm。
10.一种基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收体，其特征在于，包括：多个呈矩阵排列的超表面吸收单元，所述超表面吸收单元为如权利要求1-9任一项所述的基于VO2的宽带太赫兹超表面吸收单元，相邻的超表面吸收单元的金属谐振层之间具有间距。
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