CN209045776U - 一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器 - Google Patents
一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，包括底层反射板，所述底层反射板上设置有四层依次层叠的结构单元，所述结构单元从下至上依次为第一介质基板、中间层二氧化钒谐振层、第二介质基板及顶层二氧化钒谐振层；各层二氧化钒谐振层均由四个二氧化钒谐振单元组成，所述四个二氧化钒谐振单元的中心位于其下方贴敷的介质基板的两对角线的1/4处，其厚度均为0.2μm，且各层中对角两谐振单元的尺寸相同。本实用新型基于双层共面结构，使用二氧化钒相变材料，实现吸波器在THz波段的宽带可调谐。该吸波器具有设计灵活、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种吸波器，具体的说是一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，属于无线电通信、THz器件领域。
背景技术
超材料是一种人工复合的材料，他们具备一些自然界的材料所不具备的特性，比如负介电常数，负折射率等。由于超材料奇特的物理特性，使其具有广泛的研究价值。超材料的单元结构尺寸远远小于其工作的波长，通过人为的设计，可以达到对超材料的性质等进行调控的目的。英国帝国理工学院的J.B.Pendry教授在20世纪末叶利用开口谐振环阵列和平行金属线阵列分别设计出了磁导率小于0和介电常数小于0的人工复合型材料。D.R.Smith教授在2000年设计出了一维双负材料，又在2001年设计出了二维双负材料。此后，超材料引发了研究者们的广泛关注。
1959年，Morin发现了钒的氧化物的相变特性，此后，人们对这一特性产生了浓厚的兴趣。VO2的相变温度为68℃，又被称为室温相变材料，人们对其尤为关注。最常见的VO2制备方法是反应溅射法，这种方法具有设备简单、操作简便的优点，因而得到了广泛的应用。当温度从低温变为高温时，VO2会从高阻的绝缘态变为低阻的金属态，这种独特的性质使得VO2在场效应管、信号传输以及THz器件等方面具有广泛的应用。S.Sengupta等制备了VO2纳米束，用来制备场效应晶体管，利用VO2的温控相变特性，施加不同的栅极电压来研究VO2对晶体管的调制作用。M.Seo等制备了基于VO2薄膜相变的太赫兹纳米天线。在科学技术日益发展的今天，VO2优异的性能使得其具有重要的研究价值。
可调谐性是超材料吸波器的一个重要性能参数，基于相变材料的超材料吸波器具有优异的可调谐性能，因而受到广泛关注。本实用新型基于双层共面结构进行设计，谐振单元的材料采用二氧化钒，通过温控实现该吸波器在THz波段的动态调谐。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，通过外部温控转换二氧化钒谐振单元的介质、金属状态，从而实现吸波器在THz波段的动态调谐。
本实用新型为解决上述问题采用以下技术方案：一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，包括底层反射板，所述底层反射板上设置有四层依次层叠的结构单元，所述结构单元从下至上依次为第一介质基板、中间层二氧化钒谐振层、第二介质基板及顶层二氧化钒谐振层；各层二氧化钒谐振层均由四个二氧化钒谐振单元组成，所述四个二氧化钒谐振单元的中心位于其下方贴敷的介质基板的两对角线的1/4处，其厚度均为0.2μm，且各层中对角两谐振单元的尺寸相同。
作为本实用新型的进一步技术方案，所述顶层二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均由内外两部分组成，外部的谐振单元为方形环结构，内部的谐振单元为两个上下对称的长城形结构，左上方二氧化钒谐振单元的方形环的外边长为23μm，环宽2μm，长城形谐振结构的长为17.5μm，宽为2μm，右上方二氧化钒谐振单元的方形环的外边长为17μm，环宽1μm，长城形谐振结构的长为14μm，宽为1μm。
进一步的，所述长城形谐振单元包括上下对称设置的矩形条，各矩形条沿其相背的一侧具有等间距分布的四个矩形凸起，且最外侧的两个矩形凸起与矩形条的两端点重合。
进一步的，所述中间层二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均为圆形片，左上方二氧化钒谐振单元的半径为20μm，右上方二氧化钒谐振单元的半径为19.5μm。
进一步的，所述二氧化钒谐振单元具有低温状态和高温状态，当处于低温状态时，所述二氧化钒谐振单元呈介质特性，其电导率为0.74S/m，当处于高温状态时，所述二氧化钒谐振单元呈金属特性,其电导率为150000S/m。
进一步的，所述低温状态的温度低于68℃，所述高温状态的温度大于或等于68℃。
进一步的，所述第一、二介质基板的结构相同，均为方形板，边长为80μm，厚度为3μm，材料为无损耗的聚酰亚胺。
进一步的，所述底层反射板为方形板，其边长为80μm，厚度为0.4μm，材料为金。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本实用新型一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器,通过外部温控实现二氧化钒谐振单元金属、介质性质的转换，以此实现吸波器在THz波段的动态调谐。
(2)本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现对太赫兹电磁波的吸收，仅依赖于温度调控，无需改变其他参数。具有设计灵活、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。
附图说明
图1为本实用新型的立体图。
图2为本实用新型的俯视图。
图3为本实用新型的中间层二氧化钒层的俯视图。
图4为本实用新型的侧视图。
图5为本实用新型的结构单元周期性排列的(3×3)阵列图。
图6为本实用新型在TE模式下电磁波垂直入射时的吸收曲线。
图7为本实用新型在TM模式下电磁波垂直入射时的吸收曲线。
附图标记解释：1、2、3、4、6、7、10、11-二氧化钒谐振单元，5、8-介质基板，9-金属反射板
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：
一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，可以通过外部温控方式对二氧化钒谐振单元的状态进行调控，从而实现吸波器在太赫兹波段特定频率区域范围内的动态调谐，所述的吸波器由结构单元周期排列而成。其结构单元包括底层金属反射板9、介质基板5、8，以及二氧化钒谐振单元1、2、3、4、6、7、10、11。其立体图如图1所示，所述金属反射板的材料是金，所述介质基板的材料是无损耗的聚酰亚胺。
该吸波器的谐振单元由二氧化钒构成，通过外界温度控制二氧化钒谐振单元1、2、3、4、6、7、10、11的状态。低温状态是温度低于68℃时的状态，此时二氧化钒谐振单元表现出介质特性，其电导率为0.74S/m，高温状态是温度高于或等于68℃时的状态，此时二氧化钒谐振单元表现为金属特性，其电导率为150000S/m。
一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器的产生方法，该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，电磁波垂直入射时，高温、低温状态下吸收效果的差异是由于二氧化钒谐振单元在高温下呈现金属特性，在低温下呈现介质特性引起的。两种状态相比较，高温状态时，该吸波器的吸收效果更好。
该吸波器的俯视图如图2所示，所述二氧化钒谐振单元1、2、3、4、6、7、10、11设置于介质基板上，各二氧化钒谐振层的四个谐振单元的中心位于介质基板两对角线的1/4处。其中1、4谐振单元的尺寸相等，2、3谐振单元尺寸相同，6、11谐振单元的尺寸相等，7、10谐振单元尺寸相同，且厚度均为0.2μm。所述顶层四个二氧化钒谐振单元均由两部分组成，外层为方形环结构，谐振单元1的外层方形环的外边长l1为23μm，环宽m1为2μm，谐振单元2的外层方形环的外边长l4为17μm，环宽m2为1μm。里层的谐振单元为两个上下对称的“长城”形结构，谐振单元1的里层“长城”形谐振单元的长l2为17.5μm，宽m1为2μm，其上小长方形的宽m1为2μm，长以及相邻小长方形的间距l3均为2.5μm，两个“长城”形谐振单元之间的距离h1为8μm，谐振单元2的里层“长城”形谐振单元的长l5为14μm，宽m2为1μm，其上小长方形的宽m2为1μm，长以及相邻小长方形的间距l6均为2μm，两个“长城”形谐振单元之间的距离h2为6μm。相关参数如表1所示。
| 参数 | d | h | h<sub>1</sub> | h<sub>2</sub> | l<sub>1</sub> | l<sub>2</sub> | l<sub>3</sub> | l<sub>4</sub> |
| 值(μm) | 0.4 | 0.2 | 8 | 6 | 23 | 17.5 | 2.5 | 17 |
| 参数 | l<sub>5</sub> | l<sub>6</sub> | l<sub>7</sub> | l<sub>8</sub> | m<sub>1</sub> | m<sub>2</sub> | p | t |
| 值(μm) | 14 | 2 | 40 | 39 | 2 | 1 | 80 | 3 |
表1
该吸波器的金属反射板的材料是金，相关参数如表1所示。
该吸波器的介质基板的材料是无损耗的聚酰亚胺，相关参数如表1所示。
如图6、7所示，是该吸波器工作在TE、TM模式下的吸收曲线，由于该吸波器对于入射的电磁波是极化敏感的，以下所述两种温度的吸收曲线均是TE模式下得到的吸收曲线，工作时电磁波沿-z方向入射。由吸收率公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率由于底层是完整金属反射板，所以T(ω)＝0，故A(ω)＝1-R(ω)。高温状态下，在频带7.36THz到16.67THz内的反射率低于-10dB，吸收率高于90％，相对带宽为77.4％。低温状态下，在0.1-25THz，该吸波器的吸收率低于5.4％，入射电磁波的损耗极小。因此，我们可以根据实际需求来选择工作状态，通过外部温控，实现对该吸波器在THz波段的动态调谐。
在经过特定的设计(二氧化钒谐振单元的尺寸和形状，温度控制)后，本实用新型可实现该吸波器在THz波段的动态调谐，其主要吸收都是由二氧化钒构成的谐振单元引起，可以在较小的物理尺寸下实现对较低频率电磁波的吸收，本实用新型具有设计灵活、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：包括底层反射板，所述底层反射板上设置有四层依次层叠的结构单元，所述结构单元从下至上依次为第一介质基板、中间层二氧化钒谐振层、第二介质基板及顶层二氧化钒谐振层；各层二氧化钒谐振层均由四个二氧化钒谐振单元组成，所述四个二氧化钒谐振单元的中心位于其下方贴敷的介质基板的两对角线的1/4处，其厚度均为0.2 μm，且各层中对角两谐振单元的尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述顶层二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均由内外两部分组成，外部的谐振单元为方形环结构，内部的谐振单元为两个上下对称的长城形结构，左上方二氧化钒谐振单元的方形环的外边长为23 μm，环宽2 μm，长城
形谐振结构的长为17.5 μm，宽为2 μm，右上方二氧化钒谐振单元的方形环的外边长为17 μm，环宽1 μm，长城形谐振结构的长为14 μm，宽为1 μm。
3.根据权利要求2所述的基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述长城形结构包括上下对称设置的矩形条，各矩形条沿其相背的一侧具有等间距分布的四个矩形凸起，且最外侧的两个矩形凸起与矩形条的两端点重合。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述中间层二氧化钒谐振层的四个二氧化钒谐振单元均为圆形片，左上方二氧化钒谐振单元的半径为20 μm，右上方二氧化钒谐振单元的半径为19.5 μm。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元具有低温状态和高温状态，当处于低温状态时，所述二氧化钒谐振单元呈介质特性，其电导率为0.74 S/m，当处于高温状态时，所述二氧化钒谐振单元呈金属特性,其电导率为150000 S/m。
6.根据权利要求5所述的基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述低温状态的温度低于68 ℃，所述高温状态的温度大于或等于68 ℃。
7.根据权利要求1所述的基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述第一、二介质基板的结构相同，均为方形板，边长为80 μm，厚度为3 μm，材料为无损耗的聚酰亚胺。
8.根据权利要求1所述的基于二氧化钒相变材料的超宽带可调谐THz吸波器，其特征在于：所述底层反射板为方形板，其边长为80 μm，厚度为0.4 μm，材料为金。
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| CN114069246A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-02-18 | 四川大学 | 一种基于周期结构的吸收电磁波的整流表面 |
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