[发明专利]一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法

说明书

本发明提供一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法，属于太赫兹应用技术领域。本发明调制器采用VO₂薄膜和金属光栅复合结构，利用二氧化钒的热致相变特性和对光栅周期的改变实现对太赫兹频率和幅度的多功能动态调节。相比于传统的超结构的调控方法，通过温度变化控制二氧化钒的相变过程，相变前后二氧化钒发生从绝缘相到金属相的变化，电阻率和透射率发生显著变化，在25℃到100℃的温度范围内，都能实现太赫兹透射响应幅度的调节，幅度的调节可达到百分之七十以上；通过改变金属光栅的周期尺寸和金属线条的宽度，调控太赫兹的响应频率，整体的调控范围为0.1thz到3thz。

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法。

背景技术

太赫兹是指频率范围为0.1～10thz的电磁波，相比于微波和光波，太赫兹波具有宽带宽、高透射性、低量子能量和小辐射损伤等优势，因而其应用前景更加广阔，比如用于材料的光谱表征、成像、光数据存储加密、无线通信系统以及非破坏性传感等多种领域。近年来，随着科学理论和相应技术的飞速发展，人们对太赫兹的研究也更加深入，太赫兹的应用也日渐增多。但不同的工作环境下对太赫兹波的幅度和频段要求不尽相同，因此迫切需要对太赫兹进行有效的调控以适应更加广泛的应用。

目前对太赫兹的调控方法主要是利用电磁超材料。超材料是指具备天然材料不具备的电磁特性的人造周期结构材料，其奇异的电磁响应特性为太赫兹调控器件提供了有效的解决方案。通过调节结构的形状、关键尺寸、改变材料的种类等，控制对太赫兹的响应，实现电磁波与光波性能的任意切换，获得了如隐身斗篷、电磁波全吸收器件等。以往基于超材料的太赫兹调控器件一般都是由金属材料或者金属与介质层构成，主要利用金属超结构来实现对太赫兹的调控，着眼于太赫兹波的反射吸收，通过改变超结构的参数实现对太赫兹的屏蔽，在尺寸和材料种类固定后，在实际应用中器件对于太赫兹的调控往往也固定不变，因此，这种方法只能在单一的外界条件下实现单一的功能，无法实现对太赫兹的动态调控，而且一般用到的介质层的厚度都是微米级别，对于器件的电学、热力学等性能影响较大。除此之外，超材料的图形结构设计参数复杂，在实际制备中需要对准套刻，步骤多、工艺难度大；在调节其中一个参数的同时需要系统地调节其他结构参数以保证能够满足电磁理论的相关条件。

二氧化钒是一种具有热致相变特性的过渡金属氧化物，相变温度在68℃。在68℃以下，二氧化钒是绝缘相，当温度升高到68℃以上时变为金属相。相变前后二氧化钒的电学特性、光学特性等都会发生明显变化。二氧化钒的电阻变化能达到4～5个数量级，对红外光的透射也会呈现出低温高透、高温低透的现象。二氧化钒的这种相变特性为实现太赫兹的动态调节提供了一种新的方向，即二氧化钒与超材料结构共同实现调控。现有的关于利用二氧化钒和金属超结构的太赫兹调制器，结构设计复杂，且主要是以金属超结构作为表面，研究太赫兹的偏振方向的调控或者对太赫兹的宽带吸收。

发明内容

针对背景技术中存在的太赫兹难以实现透射幅度和频率动态调控的问题，本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器及其调控方法，该调制器采用VO₂薄膜和金属光栅复合结构，利用二氧化钒的热致相变特性和对光栅周期的改变实现对太赫兹频率和幅度的多功能动态调节。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于二氧化钒薄膜的太赫兹调制器，包括：衬底、金属光栅和二氧化钒薄膜，所述金属光栅位于衬底表面周期性排列，所述二氧化钒薄膜位于衬底和金属光栅表面。

进一步地，所述衬底材料为云母、硅、氧化硅或Al₂O₃等。

进一步地，所述金属光栅的金属材料为与衬底粘附性较好的材料，具体为Au、Ti、Ni、Pt、Fe或Cu等。

进一步地，所述金属光栅的周期为2～10μm，光栅线条的宽度为1～5μm，光栅的厚度为100～110nm。