專利名稱：一種頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁功能材料領(lǐng)域，更具體地，涉及一種頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器。
背景技術(shù)：
太赫茲(Terahertz，THz)波是頻率介于0.1 IOTHz (波長為3000 30 ii m)的電磁波，位于電子學(xué)范疇處于電子學(xué)向光子學(xué)過渡的特殊位置，具有很多優(yōu)越的特性，在國防軍事，衛(wèi)星通信，醫(yī)療診斷等方面顯示出了廣闊的應(yīng)用潛力。金屬絕緣相變(Metal -1nsulator Transition, MIT)材料具有在外場激勵條件下，材料電阻率、晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的特性。在光開關(guān)、光存儲等領(lǐng)域具有廣泛的研究與應(yīng)用。超材料(Metamaterials, MMs)是指一類人工制造的復(fù)合結(jié)構(gòu),具有天然材料所不具備的電磁特性。通過有目的設(shè)置單元器件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對MMs的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率的改變。2001年Smith等人通過金屬諧振單元周期排列實現(xiàn)了微波領(lǐng)域的雙負(fù)超材料，隨后各種類型的金屬諧振陣列器件被用于實現(xiàn)單負(fù)或雙負(fù)超材料，隨后人們將此結(jié)構(gòu)引入太赫茲領(lǐng)域，出現(xiàn)了很多太赫茲波段基于金屬圖形陣列的超材料器件。然而，現(xiàn)有的太赫茲波調(diào)制器大多針對固有頻率進行幅度調(diào)制或者相位調(diào)制，為數(shù)不多的頻率可調(diào)太赫茲波調(diào)制器采用對半導(dǎo)體載流子濃度的控制來實現(xiàn)頻率調(diào)諧，但由于材料限制，調(diào)制后的峰值幅度變小或調(diào)制深度不佳。也有些器件為微機械結(jié)構(gòu)或采用液晶材料，導(dǎo)致器件壽命和穩(wěn)定性受到影響。這極大地限制了太赫茲波調(diào)制器的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)不能對太赫茲波超材料調(diào)制器的諧振頻率進行調(diào)制或調(diào)制深度不夠的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器，包括周期排列的單元器件，每一個單元器件包括襯底、位于襯底上的功能材料層以及位于所述功能材料層上的金屬諧振單元；當(dāng)所述功能材料層從絕緣相變成金屬相，所述功能材料層的電導(dǎo)率呈指數(shù)倍增加使得金屬諧振單元的中間開口電容的面積增加，金屬諧振單元的諧振頻率隨著電容的增大而變小實現(xiàn)了對單元器件的頻率調(diào)諧。更進一步地，所述功能材料層的材料為釩的氧化物或過渡金屬氧化物。更進一步地，所述功能材料層的材料為二氧化釩。更進一步地，所述金屬諧振單元為U型開口諧振環(huán)或電場耦合諧振器。更進一步地，所述襯底為藍(lán)寶石、石英或硅材料，厚度為200-450 iim。更進一步地,所述二氧化f凡薄膜厚度為0.05-1 u m。更進一步地,所述金屬諧振單元的厚度為0.15-1 u m。
更進一步地，所述單元器件工作在太赫茲波段，所述單元器件尺寸小于等于工作波長的十分之一。更進一步地，所述單元器件尺寸為3-300 Pm。本發(fā)明采用在太赫茲波段低傳輸損耗襯底上制作周期排列的金屬開口諧振單元、利用MIT相變材料相變前后的電導(dǎo)率變化改變諧振單元開口電容的面積，實現(xiàn)了諧振頻率可以調(diào)諧的太赫茲波超材料調(diào)制器，達(dá)到了在太赫茲波段對某一頻率處的電磁傳輸特性進行主動性控制，獲得大的開關(guān)比或高調(diào)制深度。


圖1是本發(fā)明實施例提供的頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器的等效電路圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器的單元器件為U-SRRs結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的U-SRRs單元器件的透射系數(shù)的模擬結(jié)果圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器的單元器件為ELC結(jié)構(gòu)的不意圖；圖5是本發(fā)明實施例提供的ELC單元器件的透射系數(shù)的模擬結(jié)果圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實施例提供了一種主動的諧振吸收峰頻率可調(diào)諧的太赫茲波超材料調(diào)制器，它利用MIT相變材料VO2在外場激勵下發(fā)生MIT相變對MMs中金屬諧振單元的諧振吸收峰位進行調(diào)制，以及對吸收峰處的太赫茲波傳輸特性進行調(diào)制。該器件具有全固態(tài)、無機械結(jié)構(gòu)、可逆調(diào)控等優(yōu)點，在未來的太赫茲空間光通信器件中的開關(guān)、濾波器、編碼器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。本發(fā)明實施例提供的頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器包括周期排列的單元器件，每一個單元器件包括襯底、位于襯底上的功能材料層以及位于功能材料層上的金屬諧振單元；功能材料層的電導(dǎo)率從絕緣相變成金屬相后，金屬諧振單元的中間開口電容的面積增加，金屬諧振單元的諧振頻率隨著電容的增大而變小實現(xiàn)了對單元器件的頻率調(diào)諧。在本發(fā)明實施例中，功能材料層的材料可以為3d過渡金屬氧化物，例如釩的氧化物等。作為3d過渡金屬氧化物，VO2具有在外場激勵下發(fā)生MIT相變，從I相變成為M相后，其電導(dǎo)率可增大3 5個數(shù)量級，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。根據(jù)這種性質(zhì)，VO2在非制冷紅外探測，光存儲器件，熱敏紅外開關(guān)等領(lǐng)域的應(yīng)用取得較大進展。在本發(fā)明實施例中，金屬諧振單元可以為U型開口諧振環(huán)(U-shapes Split RingResonators, U-SRRs),還可以為電場f禹合諧振器(Electric-LC resonator, ELC)。金屬諧振單元的厚度為0.15-1 iim。該金屬諧振單元的基本原理都是在開口處形成電容，在垂直入射的電磁波外場激勵下產(chǎn)生LC諧振，形成諧振吸收峰。
在本發(fā)明實施例中，單元器件工作在太赫茲波段，所述單元器件尺寸小于等于工作波長的十分之一。圖1示出了本發(fā)明實施例提供的頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器的等效電路；金屬諧振單元中間開口可作為電容C (圖中虛線框部分)，金屬臂部分可作為電感L，形成LC回路產(chǎn)生LC諧振，VO2的相變與否代表著開關(guān)的開(ON)與關(guān)(OFF)。當(dāng)VO2處于絕緣相(I相)時，等效電路圖中開關(guān)斷開(0FF)，電路中只存在電容Cl。當(dāng)VO2從I相變?yōu)榻饘傧?M相)后，相當(dāng)于增加金屬ELC中間開口電容C的面積，等效電路圖中開關(guān)閉合(ON)、總電容C為I相時電容Cl與C2的并聯(lián)；由于M相VO2的電導(dǎo)率小于金屬電導(dǎo)率,作為損耗所以引入等效電阻R。為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器，功能材料層的材料以V02為例，襯底以藍(lán)寶石為襯底，厚度為340-380 u m ;周期排列的異質(zhì)結(jié)外延V02薄膜厚度為150nm ;金屬諧振單元厚度為200nm，采用的材料為金屬鋁Al為例并結(jié)合附圖詳述如下:動態(tài)頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器包括底層襯底與周期排列的多個器件單元，其中每一個單元器件包括微細(xì)加工工藝在襯底上產(chǎn)生的VO2與金屬薄膜圖形。襯底為藍(lán)寶石、石英、硅等太赫茲波段低傳輸損耗的材料，厚度為200-450 u m ；V02薄膜厚度為
0.05-1 u m ;金屬厚度為0.15-1 u m。金屬圖形可以為U_SRRs、ELC器件等可以產(chǎn)生LC諧振的結(jié)構(gòu)。器件周期:寬Lx、高Ly ;單元器件:V02電容的線寬為d，長度為t，電容兩極板間距為g;金屬圖形單元線寬為《，寬八!￡、高Ay，金屬圖形中開口作為電容C，開口大小也為g。(I)當(dāng)金屬諧振單元為U型開口諧振環(huán)時，如圖2所示，器件周期:寬Lx、高Ly ;單元器件:V02電容的線寬為d，長度為t，電容兩極板間距為g ;金屬圖形單元線寬為W，寬Ax、高Ay，金屬圖形中開口作為電容C，開口大小為g。器件工作在太赫茲波段，單元器件尺寸應(yīng)小于等于工作波長的十分之一，所以單元器件尺寸范圍應(yīng)在3-300 Pm。藍(lán)寶石上異質(zhì)結(jié)外延結(jié)構(gòu)VO2的電導(dǎo)率從I相變成M相后發(fā)生5個數(shù)量級的變化，使得M相的VO2表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。將其放在金屬諧振單元的開口處作為電容極板，當(dāng)VO2處于I相時，具有很低的電導(dǎo)率，在金屬諧振單元開口處不起作用，開口處電容極板寬度即為金屬諧振單元的線寬w ;當(dāng)VO2處于M相時，具有很高的電導(dǎo)率，相當(dāng)于增加了金屬諧振
單元開口處電容極板的寬度。根據(jù)公式，LC諧振頻率*1/1和電容C=4 Ji eS/d，其中
S為電容極板面積；LC諧振頻率隨著電容C的增大而變小，實現(xiàn)了對器件的頻率調(diào)諧。取各部分器件參數(shù)為Lx=Ly=28 u m ；Ax=Ay=20 u m、w=3 u m、g=3 u m ；d=3 u m、t=13u m0根據(jù)上述參數(shù)，頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器經(jīng)CST MWS模擬仿真軟件進行結(jié)構(gòu)與性能模擬，得到透射系數(shù)如圖3所示的電磁波傳輸特性。在圖中看到:當(dāng)VO2處于I相時，調(diào)制器的LC諧振吸收峰在1.032THz頻率處，透射系數(shù)為0.0849 ;當(dāng)VO2變成M相后，調(diào)制器的LC諧振吸收峰產(chǎn)生了 0.24THz的紅移，變成0.792THz，透射系數(shù)為0.3034 ;此外當(dāng)VO2從I相變?yōu)镸相后，在1.032THz頻率處的開關(guān)比達(dá)到了 20.68dB，調(diào)制深度達(dá)到了81.13%。(2)當(dāng)金屬諧振單元為電 場耦合諧振器時，如圖4所示，器件周期:寬Lx、高Ly ;單元器件:V02電容的線寬為d，長度為t，電容兩極板間距為g ;金屬圖形單元線寬為W，寬Ax、高Ay，金屬圖形中開口作為電容C，開口大小為g。器件工作在太赫茲波段，單元器件尺寸應(yīng)小于等于工作波長的十分之一，所以單元器件尺寸范圍應(yīng)在3-300 Pm。工作原理同上，在此不再贅述。取各部分器件參數(shù)為Lx=60 V- m、Ly=35 u m ；AX=48 u m、Ay=24 u m、w=4 u m、g=3 u m ；d=3 u m、t=20 u m。根據(jù)上述參數(shù)，頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器經(jīng)CST MWS模擬仿真軟件進行結(jié)構(gòu)與性能模擬，得到透射系數(shù)如圖5所示的電磁波傳輸特性。在圖中看到:當(dāng)VO2處于I相時，調(diào)制器的LC諧振吸收峰在1.032THz頻率處，透射系數(shù)為0.0656 ;當(dāng)VO2變成M相后，調(diào)制器的LC諧振吸收峰產(chǎn)生了 0.504THz的紅移，變成0.798THz，透射系數(shù)為0.2386 ;此外當(dāng)VO2從I相變?yōu)镸相后，在1.032THz頻率處的開關(guān)比達(dá)到了 21.4dB，調(diào)制深度達(dá)到了85.1%。為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器，現(xiàn)詳述其工藝流程如下:( I)在藍(lán)寶石襯底上采用現(xiàn)有的各種沉積工藝外延生長VO2薄膜；(2)采用半導(dǎo)體加工工藝對VO2薄膜進行微細(xì)加工，制作VO2電容極板圖形；(3)繼續(xù)在制作好圖形的VO2薄膜基礎(chǔ)上制作金屬諧振單元圖形。其中，可以采用諸如離子束濺射或磁控濺射等沉積工藝；可以采用的半導(dǎo)體加工工藝包括光刻掩膜、刻蝕?？梢圆捎胠ift-off剝離技術(shù)制作金屬諧振單元圖形。本發(fā)明利用半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝進行制備，在未來的太赫茲空間光通信器件中諸如光開關(guān)、濾波器、編碼器等集成功能器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器，包括周期排列的單元器件，其特征在于，每一個單元器件包括襯底、位于襯底上的功能材料層以及位于所述功能材料層上的金屬諧振單元；當(dāng)所述功能材料層從絕緣相變成金屬相，所述功能材料層的電導(dǎo)率呈指數(shù)倍增加使得金屬諧振單元的中間開口電容的面積增加，金屬諧振單元的諧振頻率隨著電容的增大而變小實現(xiàn)了對單元器件的頻率調(diào)諧。
2.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料調(diào)制器，其特征在于，所述功能材料層的材料為釩的氧化物或過渡金屬氧化物。
3.如權(quán)利要求2所述的太赫茲波超材料調(diào)制器，其特征在于，所述功能材料層的材料為二氧化釩。
4.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料調(diào)制器，其特征在于，所述金屬諧振單元為U型開口諧振環(huán)或電場耦合諧振器。
5.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料調(diào)制器，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石、石英或硅材料，厚度為200-450 u m。
6.如權(quán)利要求3所述的太赫茲波超材料調(diào)制器，其特征在于，所述二氧化釩薄膜厚度為 0.05-1u m。
7.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料調(diào)制器，其特征在于，所述金屬諧振單元的厚度為 0.15-1 u m。
8.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料調(diào)制器，其特征在于，所述單元器件工作在太赫茲波段，所述單元器件尺寸小于等于工作波長的十分之一。
9.如權(quán)利要求1所述的太赫茲波超材料調(diào)制器，其特征在于，所述單元器件尺寸為3-300 u mD
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頻率可調(diào)的太赫茲波超材料調(diào)制器，包括周期排列的單元器件，每一個單元器件包括襯底、位于襯底上的功能材料層以及位于功能材料層上的金屬諧振單元；當(dāng)功能材料層從絕緣相變成金屬相，功能材料層的電導(dǎo)率呈指數(shù)倍增加使得金屬諧振單元的中間開口電容的面積增加，金屬諧振單元的諧振頻率隨著電容的增大而變小實現(xiàn)了對單元器件的頻率調(diào)諧。本發(fā)明采用在太赫茲波段低傳輸損耗襯底上制作周期排列的金屬開口諧振單元、利用金屬絕緣相變材料相變前后的電導(dǎo)率變化改變諧振單元開口電容的面積，實現(xiàn)了諧振頻率可以調(diào)諧的太赫茲波超材料調(diào)制器，達(dá)到了在太赫茲波段對某一頻率處的電磁傳輸特性進行主動性控制，獲得大的開關(guān)比或高調(diào)制深度。
文檔編號H01Q15/00GK103178351SQ20131006252
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者陳長虹, 孟德佳 申請人:華中科技大學(xué)