一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器。该吸波器结构为三层，从上往下依次为周期性“回型孔”二氧化钒(VO

【技术实现步骤摘要】
一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器
本技术电磁波吸波
，涉及一种基于二氧化钒相变材料的可调吸波器。
技术介绍
超材料(Metamaterial,简称MM)是指具有一些超常物理特性的人工媒质，其工作波长远大于单元尺寸，通过合理的结构和介电常数、磁导率等参数设计，可以获得常规材料不具有的电磁特性，其在操纵电磁波方面的前所未有的潜力引起了广泛的关注。随着对超材料研究的不断深化推进，超材料吸波器在隐身、探测、通信等领域具有越来越重要的应用价值，在频率选择系统中吸波器的作用不可忽视。然而，目前吸波器的调谐大多是通过对其结构参量的改变进行调控，属于被动调控，制备之后其吸波性能无法改变，缺乏普适性。如名称为一种基于土字型结构的太赫兹超材料吸波器的技术专利，该吸波器的周期单元是典型的金属-介质-金属结构，虽然在峰值处实现了完美吸收，但吸收频段较窄，对太赫兹波的响应是固定不变的，吸收幅值或者频段都不可调节，因此在实际中该太赫兹器件不能适应需求的发展而受到限制。有着固定频率响应的吸波器满足不了实际的应用需求，因此一些有着特殊性能的材料被应用到超材料结构中制成可调谐的吸波器，例如石墨烯，二氧化钒，钛酸锶等。二氧化钒(VO2)作为一种常见的相变材料，随着环境温度的上升，在相变温度(340K)左右的情况下，内部晶体结构和禁带宽度会发生显著变化，可实现从绝缘状态到导电金属状态的转变。二氧化钒可以通过光激发或热控制实现介电状态的转换，因此基于二氧化钒的吸波器可以通过改变温度、光照和电场等外因对吸波器的吸收性能进行调控。如道日娜发表的《一种基于二氧化钒材料的可调谐吸波器设计》通过外部温度的控制对吸收频谱的动态调谐，同时可以改变其结构参量优化其吸波性能，但存在未考虑宽带隙吸收问题，使得吸波器无法满足实际集成的复杂要求，无法满足在实践中实现电磁波完美吸收，也无法实现吸收带的完全可控，从理论到应用仍存在较大的困难。如名称为一种基于水银热胀冷缩调控的频带转移吸波器的专利技术专利，顶层十字形玻璃腔通过圆柱通孔与底层水银槽连接，通过控制温度改变水银在结构中的形态来实现吸波性能的调节，该吸波器实现了多频带吸收，但频带较窄，同时调节速度较慢不灵活，制备起来比较困难。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷以及研究现状，本技术专利技术提供一种基于二氧化钒相变材料的可调吸波器。为了实现上述目的，本技术所采取的技术方案是：一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：由上到下依次为VO2层(1)、PI层(2)和金属衬底层(3)；VO2层(1)为周期性“回型孔”结构，PI层(2)是一种损耗介质，金属衬底层(3)是由金属金组成；VO2层(1)在相变温度(340K)附近内部晶体结构发生改变，禁带宽度随着温度的上升会变小，可由绝缘相过渡到金属相，其宏观上表现为电导率的变化；在金属相的VO2层(1)中电子吸收能量从价带跃迁至导带的几率变大，在这个过程中可与入射的太赫兹波产生强烈的共振，产生强吸收现象，因此VO2层(1)的电学性质决定了吸波器的宽带吸收能力，通过光激发或者热控制VO2层(1)的相变可以实现吸收率可调的太赫兹吸波器。本技术所述的一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：VO2层(1)厚度为c＝2μm，“回型孔”的边框宽度为w＝2μm，外框边长为l＝40μm；PI层(2)厚度为b＝20μm，周期边长为p＝50μm；金属衬底层(3)厚度为a＝0.2μm。本技术所述的一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：该吸波器工作在0.5-4THz；吸波器的VO2层(1)的电导率和温度有关系，当VO2处于金属态时，其电导率可以达到2×105S/m，处于绝缘态时，其相对介电常数为12，电导率为0S/m；PI层(2)是一种损耗介质，介电常数为2.88，损耗正切角为0.03；金属衬底层(3)金的电导率为4.09×107S/m。本技术所述吸波器可通过以下方法来制备：首先在一片石英晶片上通过磁控溅射法溅射一层金属衬底层(3)，再通过聚合物的加聚反应制备PI层(2)，然后通过磁控溅射技术从纯钒靶和O2气体混合物中沉积VO2，最后通过光刻工艺制备“回型孔”VO2层(1)。本技术的有益效果为：本技术所述吸波器打破了通过改变吸波器的结构参数而对其吸波性能进行调控的局限性，用二氧化钒(VO2)材料与电磁超材料来构建吸波器，可以通过改变光强、温度、电场等外部环境条件，可以很好地解决这一问题。本技术所述吸波器置于温度控制平台上，通过改变二氧化钒(VO2)的温度即可对吸波器的吸收性能进行调控。本技术所述吸波器改变结构参数可以实现频带移动，当移动到可见光波段时可应用于太阳能治理，当移动到红外波段时吸波器可将红外辐射吸收实现隐身；所述吸波器可以将外界温度等变化转换为太赫兹波吸收率变化，可实时进行温度监控，应用于传感领域。本技术所述吸波器可以实现宽带隙吸收，结构简单，便于加工成产。附图说明图1是本技术可调吸波器的三维结构示意图。图2是本技术可调吸波器的单元结构俯视图。图3是本技术可调吸波器在不同电导率下的吸收曲线图。具体实施方式下面结合附图，进一步阐述说明本技术。如图1所示，一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：由上到下依次为VO2层(1)、PI层(2)和金属衬底层(3)；VO2层(1)为周期性“回型孔”结构，PI层(2)是一种损耗介质，金属衬底层(3)是由金属金组成。本技术所述吸波器可通过以下方法来制备：首先在一片石英晶片上通过磁控溅射法溅射一层金属衬底层(3)，再通过聚合物的加聚反应制备PI层(2)，然后通过磁控溅射技术从纯钒靶和O2气体混合物中沉积VO2，最后通过光刻工艺制备“回型孔”VO2层(1)；VO2层(1)在相变温度(340K)附近内部晶体结构发生改变，禁带宽度随着温度的上升会变小，可由绝缘相过渡到金属相，其宏观上表现为电导率的变化；在金属相的VO2层(1)中电子吸收能量从价带跃迁至导带的几率变大，在这个过程中可与入射的太赫兹波产生强烈的共振，产生强吸收现象，因此VO2层(1)的电学性质决定了吸波器的宽带吸收能力，通过光激发或者热控制VO2层(1)的相变可以实现吸收率可调的太赫兹吸波器；VO2层(1)厚度为c＝2μm，PI层(2)厚度为b＝20μm，金属衬底层(3)厚度为a＝0.2μm。如图2所示，VO2层(1)“回型孔”的边框宽度为w＝2μm，外框边长为l＝40μm；PI层(2)周期边长为p＝50μm。如图3所示，当得二氧化钒的电导率分别为1S/m、1000S/m、3000S/m、5000S/m、10000S/m、30000S/m时，通过CST仿真计算得到不同的吸收曲线，可以看出当VO2材料具有30000S/m的电导率时，吸收率大于90％的带宽达1THz，实现了较为理想的超宽带吸收；同时，本实用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：由上到下依次为VO

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化钒相变材料的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：由上到下依次为VO2层(1)、PI层(2)和金属衬底层(3)；VO2层(1)为周期性“回型孔”结构，PI层(2)是一种损耗介质，金属衬底层(3)是由金属金组成；VO2层(1)在相变温度(340K)附近内部晶体结构发生改变，禁带宽度随着温度的上升会变小，可由绝缘相过渡到金属相，其宏观上表现为电导率的变化；在金属相的VO2层(1)中电子吸收能量从价带跃迁至导带的几率变大，在这个过程中可与入射的太赫兹波产生强烈的共振，产生强吸收现象，因此VO2层(1)的电学性质决定了吸波器的宽带吸收能力，通过光激发或者热控制VO2层(1)的相变可以实现吸收率可调的太赫兹吸波器。


2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱乐梅，郎婷婷，陈怡萍，王可欣，项晶晶，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33