一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件及其制备方法，属于太赫兹器件技术领域。包括底层可调光栅结构、衬底以及设置于衬底上的相位调制阵列结构，所述相位调制阵列结构由多个阵列排布的相位调制单元结构组成，所述相位调制单元结构为开口方向相对于X轴

【技术实现步骤摘要】
一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件及其制备方法


[0001]本专利技术属于太赫兹器件
，具体涉及一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波的频段位于微波和远红外过渡区，范围为0.1THz～10THz，其波长范围为3000～30μm，能量为0.4～40meV，对比其他频段波，其电磁特性特殊，具有频率高、带宽较宽、强透射能力、携带信息丰富等优势。目前随着社会科技的发展，人们对太赫兹波的探索越来越深入，实现太赫兹器件的小型化和多功能也成为了研究者们追求的目标。
[0003]近几年来太赫兹超材料准光器件成为实现太赫兹波调控的一种有效技术。基于超表面的独特特性，可以实现许多效果，如波束偏转、偏振控制、全息图、聚焦透镜等。通常，基于超表面的器件以平坦的、特征尺寸小于或远小于波长的方式完成这些功能，并表现出更高的效率，所有这些都有利于集成器件。超材料与可控半导体材料相结合，通过外加激励条件使得人工微结构的频率特性发生改变，进而研制出对太赫兹波的空间传播进行调控的器件。近年来，国内外对于太赫兹波的调制展开了大量研究，目前主要运用温控、光控、电控的调控手段来调制太赫兹波，其中使用的可控半导体材料主要为超导材料、掺杂半导体、氧化钒、相变材料、石墨烯等，进而实现了对太赫兹波的幅值、相位、频率等高速调控。
[0004]二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，其相变温度为68℃，相变前后结构的变化导致对红外光由透射向反射的可逆转变，相变前后电阻率的变化高达四个数量级，其相变速率仅为十几飞秒，可发生光学、电学、热血下的巨大可逆突变。根据这一特性将其应用于制备智能控温薄膜领域。由于其优异的导电特性，也同时应用于电子器件。
[0005]近年来，研究人员通过将超表面单元进行阵列排布以及几何相位编码排布实现了透射或反射的多功能超表面，但这种静态超表面的功能不能主动切换，如论文“Broadband and Robust Metalens with Nonl inear Phase Profi lesfor Efficient Terahertz Wave Contro”；除此外将相变材料与超表面相结合实现了对太赫兹波的动态调控，通过排布几何相位单元的阵列实现了太赫兹波的聚焦、波束偏转等功能，但此器件一般仅能在同一器件上实现单种功能的切换，如论文“Terahertz Switchable Focusing Planar Lens With a Nanoscale Vanadium Dioxide Integrated Metasurface”。在太赫兹频率下，设计一种能在透射和反射模式之间主动切换的多功能超表面仍然是一个挑战。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中太赫兹波调制的功能单一、不可主动切换的问题。本专利技术提供了一种工作于太赫兹波的基于VO2的可切换的全空间的波束调控器件，其目的在于：利用VO2的相变特性将不同功能集成到单一器件上，并通过外部物理刺激控制可以在功能和频段之间进行动态切换。本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，包括底层可调光栅结构、底层可调
光栅结构上设置的衬底以及设置于衬底上的相位调制阵列结构，所述相位调制阵列结构由多个阵列排布的相位调制单元结构组成，所述相位调制单元结构为开口方向相对于X轴
±
45
°
的SRR结构。
[0008]作为优选，所述底层可调光栅结构由交错排列的金属光栅和VO2矩形栅组成。
[0009]作为优选，所述金属光栅和VO2矩形栅的长为X/(2*K)，其中宽为X，X是相位调制单元结构的周期大小，K为大于0的自然数。
[0010]作为优选，所述衬底为石英、蓝宝石、二氧化硅或高阻硅。
[0011]作为优选，所述金属光栅以及相位调制单元结构中的金属材料为Au、Ag、Cu或Al中的一种或多种。
[0012]作为优选，所述相位调制阵列结构为由多个调制单元结构构成的M*N型阵列，其中M和N大小满足总阵列长和宽均大于一倍太赫兹波长。
[0013]本专利技术还公开了一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件的制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤一：确定介质态和金属态下太赫兹波束调控器件分别所需的调制功能，并根据所述调制功能确定每个单元结构位置在两种状态下所需的相位；
[0015]步骤二：将VO2矩形栅和金属光栅交错排列，通过控制VO2的相变特性使得相位调制单元的底层可调光栅结构在光栅与金属背板之间切换，以实现透射模式和反射模式两种状态的切换；
[0016]步骤三：根据介质态下所需的工作频段以及每个相位调制单元结构所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构中SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现对应相位调制单元结构在介质态下的相位调制；
[0017]步骤四：根据金属态下所需的工作频段以及每个相位调制单元结构所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构中SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现对应相位调制单元结构在金属态下的相位调制；
[0018]步骤五：将每个相位调制单元结构放置在所需的相位补偿位置，使得两种状态的相位调制效果具有独立性，得到在不同频段下的动态全空间波束调控器件。
[0019]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0020]1.本专利技术提供的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其调制单元在两种状态的调制作用具有独立性，通过将具有不同相位值的单元结构按照相位计算公式排布成阵列的形式，在单元的背面嵌入VO2，实现了在双频段内双空间的太赫兹波的异常折射的控制，当VO2为金属态时在低频段且在超表面正面实现了异常折射，当VO2为透射态时在高频段且在超表面背面实现了异常折射，因此实现了双频双空间的太赫兹波的波束偏转控制。
[0021]2、本专利技术提供的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，通过对单元SRR结构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～0.6金属态单元平均反射率～0.8。
[0022]3、本专利技术提供的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件选用了相变材料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。
[0023]4、本专利技术提供的基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，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。
[0024]5、本专利技术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
[0025]本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0026]图1为本专利技术整体结构立体示意图；
[0027]图2为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：包括底层可调光栅结构(1)、底层可调光栅结构(1)上设置的衬底(2)以及设置于衬底(2)上的相位调制阵列结构(3)，所述相位调制阵列结构(3)由多个阵列排布的相位调制单元结构(4)组成，所述相位调制单元结构(4)为开口方向相对于X轴
±
45
°
的SRR结构。2.如权利要求1所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述底层可调光栅结构(1)由交错排列的金属光栅(101)和VO2矩形栅(102)组成。3.如权利要求2所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述金属光栅(101)和VO2矩形栅(102)的长为X/(2*K)，宽为X，其中X是相位调制单元结构的周期大小，K为大于0的自然数。4.如权利要求1所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述衬底(2)为石英、蓝宝石、二氧化硅或高阻硅。5.如权利要求1所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述金属光栅(101)以及相位调制单元结构(4)中的金属材料为Au、Ag、Cu或Al中的一种或多种。6.如权利要求1所述的一种基于VO2的可切换的太赫兹波束调控器件，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾泓鑫，王诗琪，丛宣，张雅鑫，龚森，王兰，杨梓强，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：