CN113241531B - 基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器 - Google Patents
基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器，自下而上为底部的金属反射层、中间介质层、二氧化钒相变层、石墨烯可调电导率层以及顶层导电电极和成周期阵列排布的金属谐振腔。金属谐振腔通过设计特定的几何参数和结构，使得整个超材料吸波结构在特定频率的地方发生电磁谐振，利用二氧化钒的热致相变性质，在半导体相态和金属相态时光学、电学参数有巨大的变化，设计了较高调制深度的吸波结构，并基于石墨烯的可调电导率性质，通过外加电压改变其费米能级，改变吸波结构的介电参数，使得吸收的波长范围发生改变。结合这两种材料的调谐特性，从而实现通过热/电主动调谐宽带吸收器，而且设计的结构与工艺兼容，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于电磁波的吸收领域，具体涉及一种基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器。
背景技术
太赫兹(THz)波是指波段频率在0.1～10THz(波长为30～3000μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是非常重要但很少探索的部分电磁频谱。太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力，可作为探测隐蔽物体的手段；太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以得到高信噪比的太赫兹时域谱,易于对各种材料进行光谱分析；太赫兹***在半导体材料、高温超导材料的性质研究、化学生物的成像检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。而随着太赫兹波的广泛应用，其在电磁方面的污染问题也逐渐引起人们的重视。因此以多种复合材料为主的电磁吸波结构设计也成为重要的研究方向，结合材料的复合特性，通过构建周期性的超表面结构，利用阻抗效应、等离子体激元反应、有效媒质近似理论等来进行吸波处理，在超材料吸波结构中，通过调节周期性单元结构的形状和尺寸来独立调控其有效介电常数和磁导率，以实现与自由空间的阻抗匹配，从而增大吸收率。当电磁波入射到超材料结构上层的金属结构时，因其特定的几何参数和几何结构，会在整个谐振吸波结构中在特定频率的地方发生电磁谐振，从而形成阻抗匹配效应，增大电磁波的吸收率。
现有的谐振腔吸波结构中，经常通过在顶层超表面中放入多个不同共振频率的谐振器，并通过调整几何参数来将多个吸收峰合并成宽带吸收。Landy等(N.Ilandy,S.Sajuyigbe,J.J.Mock.A Perfect Metamaterial Absorber[J].Physical ReviewLetters,2008,100,207402)提出一种由金属谐振器、电介质层和金属薄膜组成的新结构，实现了对一定波段的电磁波的高吸收。一种基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体(专利号CN201921357423.3)提出一种最上方的带有开口矩形环的双向箭头形二氧化钒谐振单元，使用二氧化钒相变材料，实现吸波器在THz波段内的调谐。一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器(专利号CN202010331974.3)提出一种金属层+介质层+二氧化钒的不同大小的圆形谐振环构成基本单元，通过控制温度来调节吸收器的在THZ波段的吸波性能。以上几种都是通过控制二氧化钒的相变性质来进行调控吸波结构的开关性质，但由于结构设计的原因，制备工艺较为复杂，二氧化钒相变温度较高，不易调控，且只能调谐较窄波段内的吸收率,调谐方式单一。
发明内容
本发明主要解决的问题是：设计了一种通过温度或电压主动调控太赫兹波段吸收率的太赫兹吸波器，通过设计超材料完美吸收体结构，做到一定范围波段内的电磁波较高的吸收率，实现对太赫兹波的吸收和反射功能。同时设计了一种通过温控或电压调控电导率的方式来改变设计的超材料完美吸收体电磁性能，同时通过设计基于金属环谐振器的周期性结构并将其集成到微纳结构中，从而超材料阵列可以在宽频率范围内实现太赫兹波段的高吸收率。
本发明的技术方案：
一种基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器，为多层结构，自下而上为底部的金属反射层、中间介质层、二氧化钒相变层、石墨烯可调电导率层以及顶层导电电极和成周期阵列排布的金属谐振腔。
所述的金属反射层，其厚度大于太赫兹的透射深度，材质为Au或Ag。
所述的中间介质层，其形状结构与金属反射层一致，材质为Al2O3或SiO2，通过磁溅射的方式溅射在金属反射层表面。
所述的二氧化钒相变层，其形状结构与金属反射层一致，在二氧化钒层加入热源贴片，热源贴片与外部的电热源相连接，通过热源贴片来控制二氧化钒相变层的温度变化，通过改变温度控制二氧化钒相变层相变，从而造成电导率的改变。
所述的二氧化钒相变层，采取磁控溅射沉积、脉冲激光沉积或溶胶凝胶方式进行钨元素的离子掺杂，进一步降低相变温度。
所述的石墨烯可调电导率层，形状结构与金属反射层一致；导电电极设置在石墨烯可调电导率层上表面以加入偏置电压，通过外置偏压改变石墨烯的费米能级，从而调整石墨烯的电导率；导电电极的材质为Ag或Al。
所述的成周期阵列排布的金属谐振腔，为多个Al谐振贴片层，对称布置在石墨烯可调电导率层上表面；每个Al谐振贴片层为正方形框结构，框内布置三个I型谐振柱，谐振柱沿正方形中心居中对称放置，其中I型谐振柱有大型和小型两种，大型I型谐振柱为小型I型谐振柱对应尺寸的2倍，小型I型谐振柱居中位于正方形中心，两个大型I型谐振柱对称布置在小型I型谐振柱的两侧，大型I型谐振柱的位置相对小型I型谐振柱中心为1.5倍小型I型谐振柱的横向尺寸。
本发明的有益效果：
1、通过有效设计太赫兹超材料吸收谐振器的尺寸与结构参数，设计顶层金属的周期性阵列谐振腔结构，电磁波从上方垂直射入吸波结构时，顶层超表面材料的谐振腔与其余层的材料之间由于介电系数及折射率参数的不同，发生电磁共振，电磁波在其内部发生反射与损耗，最终太赫兹波段电磁波的高吸收率，可以使得整体吸波器结构在4-5THZ波段的吸收率达到80％左右，使得太赫兹波段透过吸波器比较少，其在太赫兹的吸波领域有着广泛的发展前景。
2、通过温控二氧化钒，调节二氧化钒层的相变效果，造成其从绝缘态向金属态的转变过程，从而可以进一步调节电导率，调控太赫兹吸波器的吸波性能，做到太赫兹吸波器的有效开关状态的转变。
3、在石墨烯层添加偏置电压的方式，来改变石墨烯的费米能级，进一步改变石墨烯层的电导率变化，从而调整整体吸波器对电磁波吸收率的影响，可以做到主动调谐电磁波的吸收。
附图说明
图1为本发明的太赫兹吸波谐振器整体结构示意图；
图2为本发明的太赫兹吸波谐振器主视图；
图3为本发明的太赫兹吸波谐振器结构俯视图；
图4为本发明的太赫兹吸波谐振器顶部谐振结构放大图；
图5为本发明的太赫兹吸波谐振器在二氧化钒与石墨烯不同电导率情况下的吸波率示意图。
图中：1金属谐振腔；2导电电极；3石墨烯可调电导率层；4VO2相变层；5中间介质层；6金属反射层。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本发明的一种基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器，为多层结构，自下而上为底部的金属反射层6(主要起反射作用)、中间介质层5、VO2相变层4、石墨烯可调电导率层3以及顶层的成周期阵列排布的金属谐振腔1。
本发明通过设计顶部金属谐振腔，当二氧化钒发生相变时从绝缘态变到金属态时电导率的变化，与电压调控石墨烯电导率的变化来调控整体吸波结构的宽频吸收。电磁波在吸波结构的上表面和底部反射层反射的电磁波发生了干涉，通过调节超材料的厚度与结构使得超材料和自由空间实现阻抗匹配，等效介电常数和等效磁导率相等，最终使得超材料吸收器在某一频率满足这个条件从而实现完美吸收。太赫兹波从吸收谐振器上方垂直入射，进入吸收器在内部来回震荡反射，被损耗吸收，最终透过的太赫兹波段很小，达到很高吸收率。
底部的金属反射层6常选用导电性能良好的金属，而且底部金属层的厚度需要比太赫兹的透射深度大，从而防止太赫兹波在其表面透射，起到反射电磁波的作用，使得电磁吸波器内部来回反射损耗。故底层金属常选为金、银等，导电率约为δ＝4.09*107S/m，底部金属反射层为正方形结构，边长尺寸为50-70um，厚度为4-6um。
中间介质层5一般常选用Al2O3或SiO2材料，使得太赫兹波在其中来回反射并被损耗。形状结构与底部金属层一致，边长尺寸为50-70um，厚度为1.5-1.9um。
再向上一层为VO2相变层4，其形状结构与底部金属反射层1一致，边长尺寸为50-70um，厚度为2.5-3.1um，在VO2相变层4加入热源贴片来控制其温度变化，通过改变温度控制其相变，从而造成电导率的改变，随着温度逐渐上升，二氧化钒由半导体绝缘介质(电导率为10Ω-1cm-1)转变为金属态(电导率3000Ω-1cm-1)，电导率逐渐上升。金属态时，电导率最高，此时太赫兹吸波谐振腔内电磁共振达到最大程度，电磁波在吸波结构内来回反射损耗，最终透射过的电磁波很少，可以达到80％的吸收率，而在二氧化钒处于绝缘态时，电导率极低，吸收效率也很低。一般来讲，纯二氧化钒薄膜相变温度较高，为68℃，因此可以采取离子掺杂的方式降低相变温度，更好的对器件的吸波进行操控，同时也可以有效保证吸波器件的寿命，可以采取磁控溅射或脉冲激光沉积、溶胶凝胶等有效方式进行钨元素的离子掺杂，可有效降低相变温度至40℃，从而做到有效调控相变，进一步有效改变电导率，影响整体吸波结构的电磁吸收率。
再向上一层为石墨烯可调电导率层3，形状结构与底部金属反射层6一致，边长尺寸为50-70um，厚度为0.5-1um。在石墨烯可调电导率层3上设置导电电极2加入偏置电压，导电电极2的材质为Ag或Al，而石墨烯有着十分良好的电学特性，通过外置偏压可以改变石墨烯的费米能级，从而调整石墨烯的电导率，而且通过电调制改变洛伦兹力，调制速率很快，使得石墨烯的费米能级在0.1-0.95ev范围变化。石墨烯的电导率受温度影响变化比较小，因此电压调控石墨烯电导率与热源调控二氧化钒的相变，从而分别调制整体谐振吸波结构的太赫兹电磁波的吸收率。
顶层为周期性的阵列金属谐振腔1，材料选为金属Al谐振贴片层。谐振贴片层通过设计特定的几何参数和几何结构，使得整个超材料吸波结构在特定频率的地方发生电磁谐振，如图3、4所示，每个单元结构为正方形边长尺寸，整体厚度为1-2um。正方形外部长度a为6-8um，壁厚b为0.5-1um，内部为形状相同，但大小尺寸不同的大小不一的I型谐振柱，谐振柱沿正方形中心居中对称放置，c长度为1.5um-2um，h为0.5-1um，d为3-3.5um，e为0.5-1um，f为1.5-2um，g为0.25-0.5um。具体结构参数如图4所示，通过这种大小不一的对称结构与外部方形金属环，形成谐振腔结构，而通过周期性阵列形成超表面材料，通过与下面的石墨烯调谐电导率层3，二氧化钒相变层4，中间介质层5，金属反射层6，最终复合形成太赫兹波段的完美吸收体，太赫兹波段的电磁波，经过顶层金属谐振腔垂直入射，电磁波透射经过不同电导率的介质层与金属层，在吸波结构内部电磁波不断反射，损耗，最终透过的电磁波透射率很低。但需要对超材料的厚度与结构进行调节以获得最优化性能，使得超材料和自由空间实现阻抗匹配，等效介电常数和等效磁导率相等。通过主动调节石墨烯施加电压大小，有效改变石墨烯的费米能级大小与电导率大小，另一方面，主动调节热源温度高低，通过有效调控二氧化钒的相变转变，促使其从绝缘态向金属态的转变过程，做到有效调控整体吸波结构电磁波在内部的反射与损耗过程，最终使得超材料吸收器在一定范围内的太赫兹波段内进行吸收率极高从而实现完美吸收。
实施例1
自下而上为底部金属层Au(主要起反射作用)为正方形结构，边长尺寸为50um，厚度为5um，中间介质层选用Al2O3层，为正方形结构，边长尺寸为50um，厚度为1.9um，再向上一层为二氧化钒相变层，边长尺寸为50um，厚度为2.5um，在向上一层为石墨烯可调电导率层，为正方形结构，边长尺寸为50um,厚度为1um，顶层周期阵列超表面层，为Al层，每个单元结构为正方形，整体厚度为1um。正方形外部长度为6um，壁厚1.5um，内部为形状相同，但大小尺寸不同的大小不一的I型谐振柱，谐振柱沿正方形中心居中对称放置，其中I型谐振柱有两种，大的I型谐振柱为小的I型谐振柱对应尺寸的2倍，小的I型谐振柱居中位于正方形中心，而大的I型谐振柱相对于小型I型谐振柱对称分布，其位置相对小型I型谐振柱中心为1.5倍I型谐振柱的横向尺寸。c长度为2um，h为1um，d为3.5um，e为1um，f为2um，g为0.5um。此时将热源温度提高，将二氧化钒提升至相变后，为金属态(电导率在3000Ω-1cm-1)，将电源偏置偏压提高，石墨烯费米能级为0.95ev，此时太赫兹吸波谐振器为开启状态，使得超材料和自由空间实现阻抗匹配，吸收率达到最高，在4-5THZ波段的吸收率达到80％以上，而二氧化钒在温度较低，为绝缘态时，电导率很低，故而吸收率很低，透过率较高，因此可以表明该太赫兹吸波器在太赫兹波段对于电磁波吸收有着良好的特性。
实施例2
自下而上为底部金属层Au(主要起反射作用)为正方形结构，边长尺寸为60um，厚度为4um，中间介质层或损耗介质层,选用SiO2层，为正方形结构，边长尺寸为60um，厚度为1.5um，再向上一层为二氧化钒相变层，边长尺寸为60um，厚度为2.5um，在向上一层为石墨烯可调电导率层，为正方形结构，边长尺寸为60um厚度为0.5um，顶层周期阵列超表面层，为Al层，每个单元结构为正方形，整体厚度为1um。正方形外部长度为7um，壁厚1um，内部为形状相同，但大小尺寸不同的大小不一的I型谐振柱，谐振柱沿正方形中心居中对称放置，其中I型谐振柱有两种，大的I型谐振柱为小的I型谐振柱对应尺寸的2倍，小的I型谐振柱居中位于正方形中心，而大的I型谐振柱相对于小型I型谐振柱对称分布，其位置相对小型I型谐振柱中心为1.5倍I型谐振柱的横向尺寸。c长度为1.5um，h为0.5um，d为3um，e为0.5um，f为1.5um，g为0.25um。此时将热源温度降低，将二氧化钒提升至相变前，为绝缘态，不施加电源偏压，石墨烯费米能级比较低，此时在4-5THZ波段的吸收率很低，几乎都透过该吸波器。综上所述，本发明通过有效设计设计太赫兹超材料吸收谐振器的尺寸与结构参数，设计顶层金属的周期性阵列谐振腔结构，对超材料的厚度与结构进行调节以获得最优化性能，并通过温控调节二氧化钒相变，施加偏置电压调节石墨烯电导率，最终使得超材料和自由空间实现阻抗匹配，等效介电常数和等效磁导率相等，使得电磁波在其内部发生反射与损耗，最终太赫兹波段电磁波的高吸收率，可以做到对太赫兹波段吸收的主动调谐，有着良好的发展前景。
Claims (1)
1.一种基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器，其特征在于，所述的基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器为多层结构，自下而上为底部的金属反射层、中间介质层、二氧化钒相变层、石墨烯可调电导率层以及顶层导电电极和成周期阵列排布的金属谐振腔；
所述的金属反射层，其厚度大于太赫兹的透射深度，材质为Au或Ag；
所述的中间介质层，其形状结构与金属反射层一致，材质为Al2O3或SiO2，通过磁溅射的方式溅射在金属反射层表面；
所述的二氧化钒相变层，其形状结构与金属反射层一致，在二氧化钒层加入热源贴片，热源贴片与外部的电热源相连接，通过热源贴片来控制二氧化钒相变层的温度变化，通过改变温度控制二氧化钒相变层相变，从而造成电导率的改变；
所述的二氧化钒相变层，采取磁控溅射沉积、脉冲激光沉积或溶胶凝胶方式进行钨元素的离子掺杂，进一步降低相变温度；
所述的石墨烯可调电导率层，形状结构与金属反射层一致；导电电极设置在石墨烯可调电导率层上表面以加入偏置电压，通过外置偏压改变石墨烯的费米能级，从而调整石墨烯的电导率；导电电极的材质为Ag或Al；
所述的成周期阵列排布的金属谐振腔，为多个Al谐振贴片层，对称布置在石墨烯可调电导率层上表面；每个Al谐振贴片层为正方形框结构，框内布置三个I型谐振柱，谐振柱沿正方形中心居中对称放置，其中I型谐振柱有大型和小型两种，大型I型谐振柱为小型I型谐振柱对应尺寸的2倍，小型I型谐振柱居中位于正方形中心，两个大型I型谐振柱对称布置在小型I型谐振柱的两侧，大型I型谐振柱的位置相对小型I型谐振柱中心为1.5倍小型I型谐振柱的横向尺寸。
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